什么是步进电机？
什么是步进电机:简介
步进电机可以看作是没有换向器的电动机。通常，电机中的所有绕组都是定子的一部分，转子或者是永磁体，或者在可变磁阻电机的情况下是某种软磁材料的齿块。所有的换向都必须由电机控制器在外部处理，并且典型地，电机和控制器被设计成使得电机可以保持在任何固定位置以及以一种方式或另一种方式旋转。众所周知，大多数步进机可以以音频频率步进，使它们能够快速旋转，通过适当的控制器，它们可以在受控的方向上“立即”启动和停止。
对于某些应用，可以选择使用伺服电机或步进电机。两种类型的电机为精确定位提供了相似的机会，但它们在许多方面有所不同。伺服电机需要某种类型的编码器反馈控制系统。通常，这涉及光学或磁性编码器以提供关于转子位置的反馈，以及一些电路的混合以驱动电流通过电机，该电流与期望位置和当前位置之间的差成反比。
在步进机和伺服机之间做出选择时，必须考虑许多问题；哪一个重要取决于应用。例如，步进电机定位的可重复性取决于电机转子的几何形状，而伺服电机定位的可重复性通常取决于编码器和反馈电路中其他组件的稳定性。
步进电机可用于简单的开环控制系统；这些通常适用于在静态负载下以低加速度运行的系统，但闭环控制对于高加速度可能至关重要，尤其是在涉及可变负载的情况下。如果开环控制系统中的步进器扭矩过大，所有关于转子位置的信息都会丢失，系统必须重新初始化；伺服电机不存在这个问题。
步进电机也可以用在闭环系统中，很像伺服系统，增加了编码器和反馈驱动电路。性能的提高是以额外的成本为代价的。
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步进电机:不同类型
步进电机有两种类型，永磁电机和可变磁阻电机（也有混合电机，从控制器的角度来看，它们与永磁电机没有区别）。由于电机上没有标签，当没有通电时，您通常可以通过感觉区分两者。当您用手指扭转转子时，永磁电机往往会“齿合”，而可变磁阻电机几乎可以自由旋转（尽管它们可能会因转子中的剩余磁化而轻微齿合）。你也可以用欧姆表来区分这两个品种。可变磁阻电机通常有三个（有时四个）绕组，具有公共回路，而永磁电机通常有两个独立绕组，带或不带中心抽头。中心抽头绕组用于单极永磁电机。
步进电机的角度分辨率范围很广。最粗糙的电机通常每步旋转90度，而高分辨率永磁电机通常能够每步旋转1.8度甚至0.72度。使用合适的控制器，大多数永磁电机和混合电机可以以半步运行，一些控制器可以处理较小的分数步或微步。
对于永磁和可变磁阻步进电机来说，如果只有电机的一个绕组通电，转子（空载时）将迅速达到一个固定的角度，然后保持该角度，直到扭矩超过电机的保持扭矩，此时，转子将转动，试图保持在每个连续的平衡点。
步进电机:可变磁阻电机
如果您的电机有三个绕组，通常如图1.1中的示意图所示连接，所有绕组共用一个端子，则很可能是可变磁阻步进电机。在使用中，公共导线通常连接到正电源，绕组依次通电。
图1.1所示的横截面是每步进30度的可变磁阻电动机。这种电机的转子有4个齿，定子有6个极，每个绕组缠绕在两个相反的极上。1号绕组通电时，标记为X的转子齿被该绕组的磁极吸引。如果通过绕组1的电流被切断而绕组2被接通，转子将顺时针旋转30度，从而使标记为Y的磁极与标记为2的磁极对齐。
动画图1.1:
观看动画人物时，请注意以下事项:
1. 磁场似乎逆时针旋转，而转子顺时针旋转。这种布置在可变磁阻电机中很常见。
2.磁场以60度的步长旋转，而转子以30度的步长移动（方向相反）。这与游标卡尺的刻度运动有关，因此，可变磁阻电机有时也称为游标电机。
3.电机转子旋转一周需要控制系统的四个完整周期。这是因为转子有4极！
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要连续旋转该电机，我们只需依次向3个绕组供电。假设为正逻辑，其中1表示接通通过电机绕组的电流，以下控制序列将使图1.1所示的电机顺时针旋转24步或2圈:
绕组1 1001001001001001001001001001
绕组2 0100100100100100100100100100
绕组3 0010010010010010010010010010010
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还有具有4和5个绕组的可变磁阻步进电机，需要5或6根导线。驱动这些电机的原理与三绕组电机的原理相同，但制定正确的绕组通电顺序以使电机正常步进变得非常重要。
图1.1所示的电机几何形状，每步30度，使用最少数量的转子齿和定子极来实现令人满意的性能。使用更多的电机磁极和更多的转子齿允许构造具有更小步距角的电机。每个磁极上的齿面和相应的细齿转子允许步进角小到几度。
步进电机:单极电机
单极步进电机、5线或6线永磁和混合步进电机的接线通常如图1.2所示，两个绕组各有一个中心抽头。在使用中，绕组的中心抽头通常连接到正电源，每个绕组的两端交替接地以反转该绕组提供的磁场方向。
动画图1.2:
查看此图时，请注意以下几点:
1.这个6极转子的旋转方向与定子磁场的旋转方向相反；完全相同的定子内的两极转子将随着磁场旋转。
2.此图基于半步控制，其中交替半步涉及一个和两个电机绕组。
3.控制系统需要三个完整的周期来转动这个6极转子一周。两极转子将在每个控制系统周期内转动一整圈。
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图1.2所示的电机横截面是30度步进永磁电机或混合电机，这两种电机类型之间的差异在这个抽象层次上无关紧要。1号电机绕组分布在顶部和底部定子磁极之间，而2号电机绕组分布在左右电机磁极之间。转子是一个永磁体，有6个磁极，3个南极和3个北极，围绕其圆周排列。
对于更高的角度分辨率，转子必须具有相应更多的磁极。图中的30度步进电机是最常见的永磁电机设计之一，尽管15度和7.5度步进电机也很常见。永磁电机的每步分辨率高达1.8度，混合电机的每步分辨率通常为3.6度和1.8度，每步分辨率可达0.72度。
如图所示，从绕组1的中心抽头流向端子a的电流导致顶部定子磁极为北极，而底部定子磁极为南极。这将转子吸引到所示位置。如果绕组1断电，绕组2通电，转子将转动30度或一步。
为了连续旋转电机，我们只需依次给两个绕组通电。假设为正逻辑，其中1表示接通通过电机绕组的电流，以下两个控制序列将使图1.2所示的电机顺时针旋转24步或4圈:
绕组1a 10001000100010001000100010001
绕组1b 00100010001000100010001000100
绕组2a 01000100010001000100010001000
绕组2b 00010001000100010001000100010
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绕组1a 11001100110011001100110011001
绕组1b 00110011001100110011001100110
绕组2a 01100110011001100110011001100
绕组2b 10011001100110011001100110011
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请注意，每个绕组的两半永远不会同时通电。上面显示的两个序列都将一次旋转永磁体一步。如上图所示，顶部序列一次只为一个绕组供电；因此，它使用更少的功率。底部序列涉及一次为两个绕组供电，通常产生的扭矩约为顶部序列的1.4倍，同时使用两倍的功率。
上述两个序列产生的步长位置不相同；因此，结合两个序列允许半步步进，电机交替停止在一个或另一个序列指示的位置。组合顺序如下:
绕组1a 110000011000011100000110000111
绕组1b 00011100000111000001110000
绕组2a 01110000011100000111000001
绕组2b 0000011100001110000011100001100
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步进电机:双极电机
双极永磁电机和混合电机的结构与单极电机完全相同，但两个绕组的接线更简单，没有中心抽头。因此，电机本身更简单，但反转每对电机极的极性所需的驱动电路更复杂。图1.3中的示意图显示了这种电机的接线方式，而此处显示的电机横截面与图1.2中显示的横截面完全相同。
这种电机的驱动电路要求每个绕组都有一个H桥控制电路。简而言之，H桥允许独立控制施加于每个绕组各端的电源极性。这种电机的单步控制顺序如下所示。+和-符号用于表示每个电机端子的电源极性:
端子1a+-+-+-++-++-++-++-++-
端子1 B-+-+-+-+-+-++-++
终端2a-+-+-+-+-+-++-++-++-
终端2b – + – + – + – + + – ++ – ++ – +
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请注意，这些序列在抽象层次上与单极永磁电机的序列相同，并且在H桥功率开关电子器件的层次上，这两种类型电机的控制系统可以是相同的。
请注意，许多全H桥驱动器芯片有一个控制输入使能输出，另一个控制方向。给定两个这样的桥芯片，每个绕组一个，下面的控制序列将与上面给定的控制序列相同地旋转电机:
启用1 1010101010101010 11111111111111
方向1 10x 1 x 0x 1 x 0x 1 x 0x 1100110011001100
启用2 0101010101010101 11111111111111
方向2 x1 x 0 x1 x 0 x1 x 0 x1 x 0 0110011001100110
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为了区分双极永磁电机和其他4线电机，测量不同端子之间的电阻。值得注意的是，一些永磁步进电机有4个独立绕组，分为两组。在每组中，如果两个绕组串联，结果可用作高压双极电机。如果它们并联，结果可以用作低压双极电机。如果它们与中心抽头串联，结果可用作低压单极电机。
步进电机:双极性电机
步进电机上的双线绕组应用于与双极电机相同的转子和定子几何结构，但不是用单条线缠绕定子中的每个线圈，而是两条线彼此平行缠绕。因此，电机有8根电线，而不是4根。
实际上，双线绕组电机总是作为单极或双极电机供电。图1.4显示了绕组的替代连接这样的发动机。
要将双线电机用作单极电机，每个绕组的两条导线串联连接，连接点用作中心抽头。图1.4中的绕组1以这种方式连接。
要将双线电机用作双极电机，每个绕组的两条导线并联或串联。图1.4中的绕组2显示为并联连接；这允许低电压高电流操作。图1.4中的绕组1显示为串联连接；如果忽略中心抽头，则可以在两倍于并联绕组的电压和一半于并联绕组的电流下工作。
应该注意的是，基本上所有出售的双极6线电机实际上都使用双线绕组进行缠绕，因此用作中心抽头的外部连接实际上如图1.4中绕组1所示进行连接。因此，自然地，任何单极电机都可以用作双极电机，额定电压为铭牌上给出的两倍，额定电流为一半。
对于那些回收旧电机的人来说，找到一台8线电机是一个挑战！8根线中哪一根是哪一根？使用欧姆表、交流电压表和低压交流电源不难算出这一点。首先，使用欧姆表识别通过电机绕组相互连接的电机引线。然后，将低压交流电源连接到这些绕组之一。交流电压应低于宣传的电机工作电压；建议电压低于1伏。电机磁路的几何形状保证了双线绕组的两条导线对于交流信号的强耦合，而对于其他两条导线几乎没有耦合。因此，用交流电压表进行探测可以发现其他三个绕组中的哪一个与通电绕组配对。
步进电机:多相电机
一种不太常见的永磁步进电机的所有绕组都以循环串联的方式接线，在循环中每对绕组之间有一个抽头。此类最常见的设计使用三相和五相接线。每个电机端子的控制需要1/2个H桥，但这些电机可以在给定的封装尺寸下提供更大的扭矩，因为除了一个电机绕组外，所有或所有电机绕组在驱动周期的每个点都通电。一些五相电机具有大约0.72度/步（每转500步）的高分辨率。
对于5相电机，步进周期中每次重复有10步，如下所示:
端子1 +++-++ ++++
端子2-++ ++-++ ++-
端子3 ++++- ++++
端子4 ++++-++ ++-
端子5-++ ++-++ ++-
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这里，如在双极情况下，每个端子显示为连接到电机电源系统的正极或负极母线。请注意，在每一步中，只有一个端子改变极性。这种变化会切断连接到该端子的一个绕组的电源（因为该绕组的两个端子极性相同），并将电源施加到之前闲置的一个绕组上。给定图1.5所示的电机几何形状，该控制序列将驱动电机旋转两圈。
为了区分5相电机和其他5线电机，请注意，如果5相电机的两个连续端子之间的电阻为R，则非连续端子之间的电阻为1.5R。
请注意，一些5相电机有5个单独的电机绕组，共有10条引线。可以使用5个半桥驱动电路以上述星形配置连接这些绕组，或者每个绕组可以由自己的全桥驱动。虽然半桥驱动器的理论元件数量较低，但集成全桥芯片的可用性可能会使后一种方法更可取。
文章投稿道格拉斯·琼斯道格拉斯·w·琼斯版权所有1995年；1998年主要修订版.