教程：步进电机的基础 - 第I部分

阅读本文的第二部分

经济，易于集成，能够以低速输送高扭矩，步进电机为一系列应用提供了良好的解决方案。

尽管伺服电机满足了广泛的精密运动需求，对于一些应用，步进电机提供了一个有用的替代方案。步进电机是一种具有固有数字功能的同步无刷电机。不像直流拉丝电机只要定子线圈通电，步进电机就会持续旋转，步进电机依靠脉冲电流运行，每一个脉冲都带动部分全旋转。因此，它们可以在没有闭环反馈的情况下有效地运行。运动系统可以简单地通过命令一定数量的步进电机来定位负载。步进电机特别适合于数字驱动器和应用。坚固、经济、准确，它们在从旋转磁盘硬盘驱动器到打印机、机器人到数控机床等一切领域发挥着重要作用。

步进电机101.
步进电机由一个中心转子和若干个绕组的定子组成(见图1)。当一个或一组绕组通电时，它就变成一个电磁铁，其极性由电流方向决定。例如，在图A中，对绕组A施加电流会产生一个面向转子的北极。磁引力作用于转子极，导致转子旋转的一部分，直到其南极位置接近绕组北极，驱动力矩为零。这是一个步骤。

为了继续运动，第一组绕组必须是Deenergined并且另一个集合通电。结果，转子杆再次从定子杆移位。通电绕组将力施加到转子上，导致它转动另一个步骤。

我们可以表示静力矩作为理想的永磁体（PM）步进电机的角度位置的函数



在哪里保持扭矩，该扭矩表示电动机可以发挥以防止负载移动的最大扭矩，并且S是弧度中的台角度，θ是轴角，在弧度中。¹特别是表达式表示电轴角度。

步进电机类型
为了更详细地了解这个过程，让我们考虑最简单的步进电机类型，两相永磁(PM)设计。在永磁步进电机中，转子由一个圆柱形永磁体组成，磁极横向划分(见图3)。对于两相电机，我们有四个绕组，指定为a, a '， B '和B '。如果我们给线圈A通电，使最接近转子的部分成为北极，转子的南极将被吸引到它，旋转直到两线起来，驱动扭矩为零。这构成一个台阶，台阶角为90°。

如上所述，我们将线圈A和激励线圈B连接，使电动机推进另一个步骤。依次激励线圈使转子旋转在一系列离散步骤中。

PM步进电机可以提供经济的解决方案，但它们产生扭矩的能力是有限的，特别是在高速上 - 增加的电感可防止电流足够高，以充分实现扭矩。PM设计限于通常为45或90°的粗略步长角度。如此大的进步引入振动，特别是在低速下。

可变磁阻步进电机提供更高的分辨率替代方案。可变磁阻步进电机没有永久性包括磁铁。相反，转子由形成有齿的铁或钢圆筒组成，使得转子和线圈之间的气隙变化。这允许该装置利用称为显着性的现象，其中转子和定子之间的气隙宽度的变化导致电感变化。这显影了一种称为磁阻扭矩的力，其作用在转子上。

在这种情况下，来自定子线圈的磁通总是寻找磁阻最小的路径。当转子齿与定子的通电线圈相偏移时，磁通施加一个力来定位齿，使气隙的宽度最小化，如下图所示:

为了将扭矩驱动到零，转子转动以使齿或牙齿的子集完全对准通电线圈，有效地迈出一步。

为了保持电动机转动，我们必须使线圈A和激励线圈B。这仅适用于转子上的齿数与定子线圈的数量不同，以确保当一组齿对准通电线圈时，另一个牙齿从最近的（未通电）线圈中均未崩溃。结果，当我们使线圈A和激励线圈B进行切割时，最近的齿偏离磁极。磁通再次起到最小化扭矩，使转子再转一步。

另一种方法是混合步进电机，它具有两种类型的特点。在混合步进电机中，转子的永磁体是定向的，使磁极轴向排列，而不是横向排列。一个带齿的铁或钢盘粘在磁铁的每一边。每个盘都有相同数量的牙齿但是他们以相对于彼此,这样的牙齿在北极一半投出一颗牙齿牙齿在南极的阶段(见图2),结果,认为轴向,转子和交替的南北两极。混合步进电机的一般尺寸为每转200步，步进角为1.8°。

励磁模式
步进电动机中的相位的数量由必须以序列通电的不同线圈组的数量限定，以便移动转子。单个电机可以具有大量的阶段;相反，单相可以具有两个到N绕组。通常，在单相中激励的绕组数量越多，功耗越大，而且扭矩越大。理论上，仅通过加工能力和保持绕组不同所需的空间量仅限设计。然而，实际上，过去的一点，太多阶段消耗的空的空间用来减小电动机可以产生的扭矩总量。因此，绕组设计以及您如何驱动这些绕组在性能中发挥关键作用。

全步单线圈模式
步进电机可以在几种模式中的任何一种中兴奋，每个都具有不同的特性。最简单的激励模式是完整的单线线圈模式，或波驱动器，其中只有一个线圈的定子是每个步骤的通电。它提供最小的扭矩，因此不能与高负载一起使用。然而，它确实最小化了功耗。

全步双线圈模式
在这种激励模式下，定子的线圈成对被激励。回想一下图2所示的扭矩与位置曲线。如果我们同时激励两个线圈，它们的转矩曲线叠加产生更大的转矩这是（见图5）。



这种设计消耗的电压或电流是单线圈模式的两倍，这取决于它是串联还是并联，但它可以产生接近100%的额定扭矩。

半步单线圈模式
半步进提供了一种不改变转子或定子而实现步进电机双分辨率的方法。在单线圈半步模式下运行的步进电机将激励一个单极，然后激励两个相邻的线圈使转子前进半步，然后激励另一个单极前进另半步，以此类推(见图6)。半步仅仅通过改变驱动电子就提高了分辨率。

半步双线圈模式
在这种模式下，两个线圈通电第一步，然后是四个，然后两个等，最初，与北极和南极的相对绕组被激励以提取第一步中的更大扭矩。接下来，相邻线圈同时通电（参见图7）。注意，对于两相电动机，这意味着所有线圈都会同时发生。在这种情况下，半步进不仅增加了分辨率，它允许电动机产生最佳扭矩。

增加的分辨率的好处超出了定位准确性。收缩阶梯角减少振动并避免电机中的激动谐振。结果更平滑，更安静的运动。

微步
使用微步可以进一步提高这种效果。微步进将基本步进角划分为更小的增量;例如，除以10的微步模式将使标准步进角减少10倍。

让我们看看最常见的微步进，称为正弦/余弦微踩。我们同时激发两个线圈，以实现等于单绕组的保持扭矩的组合保持扭矩根据：

然后，我们应用于两个绕组以将转子以角度设置是（谁）给的：

在哪里一世_一种是通过线圈A的电流在角度0处达到平衡，一世_B.通过绕组B的电流是否处于平衡角度S.,一世_最大限度是通过任何电机绕组的最大允许电流。

通过强大的低成本微控制器的可用性启用了微步进。然而，这不是一个完美的解决方案。用于生成驱动信号的数字控制器受模数转换器的量化能力的限制。

止动装置或者转子齿和磁铁之间的吸引力，可以引入变化和运动，摩擦可以限制精度。尽管如此，该技术可以为一系列应用提供非常好的性能。在本教程的第2部分，我们将讨论布线和驱动器的考虑，以及涉及选择正确类型的步进电机的权衡。

参考文献
1.道格拉斯·琼斯，《步进电机的控制》，http://homepage.cs.uiowa.edu/~jones/step/index.html

阅读本文的第二部分