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步進電動機 ，也稱為步進電動機或步進電動機 ，是一種無刷直流電動機 ，它將整個旋轉(zhuǎn)分成許多相等的步進。 然后可以命令電動機的位置在這些步驟中的一個步驟中移動和保持，而無需任何用于反饋的 位置傳感器 （ 開環(huán)控制器 ），只要電動機在扭矩和速度方面小心地適應應用。

開關(guān)磁阻電動機是非常大的步進電動機，其極數(shù)減少，并且通常是閉環(huán)換向的 。

當直流電壓施加到其端子時，有刷直流電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)。 步進電動機的特性是將一系列輸入脈沖（通常是方波脈沖）轉(zhuǎn)換成軸位置的精確定義的增量。 每個脈沖使軸移動一個固定的角度。

步進電機有效地具有多個“齒形”電磁鐵，這些電磁鐵圍繞中心齒輪形鐵片布置。 電磁鐵由外部驅(qū)動電路或微控制器供電。 為了使電動機軸轉(zhuǎn)動，首先，給一個電磁鐵提供動力，磁力吸引齒輪的齒。 當齒輪的齒與第一個電磁鐵對齊時，它們稍微偏離下一個電磁鐵。 這意味著當下一個電磁鐵打開并且第一個電磁鐵關(guān)閉時，齒輪稍微旋轉(zhuǎn)以與下一個電磁鐵對齊。 從那里重復該過程。 這些旋轉(zhuǎn)中的每一個被稱為“步驟”，其中整數(shù)個步驟進行完全旋轉(zhuǎn)。 以這種方式，電動機可以以精確的角度轉(zhuǎn)動。

電磁鐵的圓形布置被分成組，每組稱為相，并且每組具有相同數(shù)量的電磁鐵。 組的數(shù)量由步進電機的設(shè)計者選擇。 每組的電磁鐵與其他組的電磁鐵交錯，形成均勻的排列圖案。 例如，如果步進電機有兩組標識為A或B，總共十個電磁鐵，則分組模式為ABABABABAB。

同一組內(nèi)的電磁鐵全部通電。 因此，具有更多相的步進電機通常具有更多的電線（或引線）來控制電機。
步進電機有三種主要類型：

永磁步進器
可變磁阻步進器
混合同步步進器
永磁電動機在轉(zhuǎn)子中使用永磁體 （PM）并且對轉(zhuǎn)子PM和定子電磁體之間的吸引力或排斥力進行操作。 可變磁阻 （VR）電動機具有普通鐵轉(zhuǎn)子，并且基于以最小間隙發(fā)生最小磁阻的原理操作，因此轉(zhuǎn)子點被吸引向定子磁極 。 混合同步是永磁體和可變磁阻類型的組合，以最小化功率 。

兩相步進電機
兩相步進電機中的電磁線圈有兩種基本繞組布置：雙極和單極。

單極電機
單極步進電機每相具有一個帶中心抽頭的繞組。 對于每個磁場方向，每個繞組部分都接通。 由于在這種布置中可以在不切換電流方向的情況下反轉(zhuǎn)磁極，因此可以使換向電路對于每個繞組非常簡單（例如，單個晶體管）。 通常，給定一個相位，每個繞組的中心抽頭是共用的：每相提供三個引線，典型的兩相電機提供六個引線。 通常，這兩個相位共用內(nèi)部連接，因此電機只有五個引線。

可以使用微控制器或步進電機控制器以正確的順序激活驅(qū)動晶體管 ，這種易操作性使單極電機受到業(yè)余愛好者的歡迎; 它們可能是獲得精確角度運動的最便宜方式。


單極步進電機線圈
對于實驗者來說，可以通過在PM電機中將端子線接觸在一起來識別繞組。 如果連接線圈的端子，則軸變得更難轉(zhuǎn)動。 區(qū)分中心抽頭（公共線）和線圈端線的一種方法是測量電阻。 公共線和線圈端線之間的電阻始終是線圈端線之間電阻的一半。 這是因為兩端之間的線圈長度是中心（公共線）到端部的一半。 確定步進電機是否工作的快速方法是每兩對短路并嘗試轉(zhuǎn)動軸。 只要感覺到高于正常的電阻，就表明特定繞組的電路閉合且相位正在工作。

雙極電機
雙極電機每相具有單個繞組。 繞組中的電流需要反轉(zhuǎn)以便反轉(zhuǎn)磁極，因此驅(qū)動電路必須更復雜，通常采用H橋布置（但是有幾種現(xiàn)成的驅(qū)動芯片可用于制造簡單的事情）。 每相有兩個引線，沒有一個是常見的。

雙線圈雙極步進電機的典型驅(qū)動模式是：A + B + A- B-。 即驅(qū)動線圈A具有正電流，然后從線圈A移除電流; 然后用正電流驅(qū)動線圈B，然后從線圈B上移除電流; 然后用負電流驅(qū)動線圈A（通過例如用H橋切換導線來翻轉(zhuǎn)極性），然后從線圈A移除電流; 然后用負電流驅(qū)動線圈B（再次翻轉(zhuǎn)與線圈A相同的極性）; 循環(huán)完成并重新開始。

在某些驅(qū)動拓撲中已經(jīng)觀察到使用H橋的靜摩擦效應。

以比電動機可以響應的更高頻率抖動步進信號將減少這種“靜摩擦”效應。

由于繞組被更好地利用，它們比相同重量的單極電機更強大。 這是由于繞組占用的物理空間。 單極電機在同一空間內(nèi)的導線數(shù)量是兩倍，但在任何時間點只使用一半，因此效率為50％（或大約70％的可用扭矩輸出）。 雖然雙極步進電機驅(qū)動更復雜，但驅(qū)動芯片的豐富意味著實現(xiàn)起來要困難得多。

8引腳步進電機就像單極步進電機，但引線不與電機內(nèi)部共用。 這種電機可以采用多種配置進行接線：

單極。
雙極帶串聯(lián)繞組。 這提供了更高的電感但每個繞組的電流更低。
雙極并聯(lián)繞組。 這需要更高的電流，但隨著繞組電感的減小，性能會更好。
雙相，每相單繞組。 這種方法僅在可用繞組的一半上運行電動機，這將減少可用的低速扭矩但需要更少的電流
高階相位步進電機
具有多相的多相步進電機往往具有低得多的振動水平。 [4]雖然它們更昂貴，但它們確實具有更高的功率密度，并且適當?shù)尿?qū)動電子設(shè)備通常更適合應用[ 需要引證 ] 。

驅(qū)動電路

帶有Adafruit Motor Shield驅(qū)動電路的步進電機，用于Arduino
步進電機的性能很大程度上取決于驅(qū)動電路 。 如果定子磁極可以更快地反轉(zhuǎn)，則扭矩曲線可以延伸到更大的速度，限制因素是繞組電感的組合。 為了克服電感并快速切換繞組，必須增加驅(qū)動電壓。 這進一步導致必須限制這些高電壓否則可能引起的電流。

通常與電感效應相當?shù)牧硪粋€限制是電機的反電動勢。 當電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生與速度（步進速率）成比例的正弦電壓。 從可用的電壓波形中減去該AC電壓以引起電流的變化。

L / R驅(qū)動電路
L / R驅(qū)動器電路也稱為恒定電壓驅(qū)動器，因為向每個繞組施加恒定的正或負電壓以設(shè)定步進位置。 然而，它是繞組電流，而不是將電壓施加到步進電機軸的電壓。 每個繞組中的電流I通過繞組電感L和繞組電阻R與施加的電壓V相關(guān)。電阻R根據(jù)歐姆定律 I = V / R確定最大電流。 電感L根據(jù)電感器的公式dI / dt = V / L確定繞組中電流的最大變化率。 因此，當由L / R驅(qū)動器控制時，步進電機的最大速度受其電感的限制，因為在某個速度下，電壓U的變化將比我可以跟上的電流更快。 簡單來說，電流變化率是L / R（例如，10歐姆電感，2歐姆電阻將需要5毫秒才能達到最大扭矩的約2/3或大約24毫秒才能達到最大扭矩的99％）。 為了在高速下獲得高扭矩，需要具有低電阻和低電感的大驅(qū)動電壓。

使用L / R驅(qū)動器，可以通過在每個繞組上串聯(lián)一個外部電阻來控制具有更高電壓驅(qū)動的低壓電阻電機。 這會浪費電阻器的功率并產(chǎn)生熱量。 因此，它被認為是一種低性能選擇，盡管簡單且便宜。

現(xiàn)代電壓模式驅(qū)動器通過將正弦電壓波形近似到電機相來克服其中一些限制。 電壓波形的幅度設(shè)置為隨步進速率增加。 如果適當調(diào)整，這可以補償電感和反電動勢的影響，相對于電流模式驅(qū)動器可以獲得不錯的性能，但代價是電流模式驅(qū)動器更簡單的設(shè)計工作（調(diào)整程序）。

斬波驅(qū)動電路
斬波器驅(qū)動電路被稱為恒定電流驅(qū)動器，因為它們在每個繞組中產(chǎn)生稍微恒定的電流而不是施加恒定電壓。 在每個新步驟中，最初將非常高的電壓施加到繞組。 這導致繞組中的電流快速上升，因為dI / dt = V / L，其中V非常大。 每個繞組中的電流由控制器監(jiān)控，通常通過測量與每個繞組串聯(lián)的小檢測電阻兩端的電壓。 當電流超過規(guī)定的電流限制時，通常使用功率晶體管關(guān)閉或“切斷” 電壓 。 當繞組電流低于規(guī)定限值時，電壓再次打開。 以這種方式，對于特定的步進位置，電流保持相對恒定。 這需要額外的電子元件來檢測繞組電流并控制開關(guān)，但它允許步進電機以比L / R驅(qū)動器更高的速度以更高的扭矩驅(qū)動。 用于此目的的集成電子器件可廣泛使用。

相電流波形

不同的驅(qū)動模式顯示4相單極步進電機上的線圈電流。
步進電機是一種多相交流同步電機 （見下面的理論），它理想地由正弦電流驅(qū)動。 全步波形是正弦曲線的粗略近似，這也是電機表現(xiàn)出如此大的振動的原因。 已經(jīng)開發(fā)了各種驅(qū)動技術(shù)以更好地近似正弦驅(qū)動波形：這些是半步進和微步進。

波形驅(qū)動（一相打開）
在該驅(qū)動方法中，一次僅激活單個相。 它具有與全步驅(qū)動相同的步數(shù)，但電機將具有明顯小于額定轉(zhuǎn)矩。 它很少使用。 上面顯示的動畫圖形是波浪驅(qū)動馬達。 在動畫中，轉(zhuǎn)子有25個齒，旋轉(zhuǎn)一個齒位需要4個步驟。 因此，每完整旋轉(zhuǎn)將有25×4 = 100步，每步將為360/100 = 3.6度。

在該驅(qū)動方法中，齒數(shù)N被限制為能夠從靜止狀態(tài)進行每個步驟。 當0位置指向一個齒時，移動到N / 4位置的最近的齒將比剛剛經(jīng)過N / 4位置的齒更接近N / 4位置。 令\是整數(shù)除法使得25 \ 4 = 6且％為除法的余數(shù)，使得25％4 = 1，等式為N \ 4 + 1 - N / 4> N / 4 - N \ 4，即2 *（N \ 4）+1> N / 2，與4 *（N \ 4）+ 2> N = 4 *（N \ 4）+ N％4相同。 所以2> N％4，N％4可以是0,1,2,3，所以N％4 = 1或N％4 = 0.但是如果N％4 = 0，當0位置指向一個齒，N / 4位置只會指向一顆牙齒。 這使轉(zhuǎn)子處于穩(wěn)定位置而不會移動。 所以N％4 = 1.即N = 4 * n + 1.N可以是5,9,13,17,21,25，......，45，...，125 ...這是一個相等的差異序列。 但是為了生產(chǎn)許多牙齒是昂貴的，并且為了便于步驟計算，N = 25和N = 45是2個良好的數(shù)字。 N = 45然后一步= 360/45/4 = 2度。 N = 25一步= 360/25/4 = 3.6度。 對于更精細的步驟N可能是更大的數(shù)字。 一個好的大數(shù)是125，步長是360/125/4 = 0.72度。 對于那些聲稱1.8度步進的步進電機，N應該是49，這是近似的可忽略誤差。如360 = 2 ^ 3 * 3 ^ 2 * 5，所以N = 4 * n + 1 = 2 ^ i * 3 ^ j * 5 ^ k，因為4 * n + 1是奇數(shù)，所以i = 0，并且它可能是4 * n + 1 = 3 ^ j * 5 ^ k，4 *（n -1 + 1）+1 = 4 * （n-1）+ 5，如果n-1 = 5 * m，那么N =（4 * m +1）* 5將是有利的，那么N又是25,45,65,85,105,125，...，再次等差序列。 4 * n + 1 = 4 *（n-2 +2）+ 1 = 4 *（n-2）+9，如果n = 2 = 9 * s，那么N =（4 * s + 1）* 9會如果4 * n + 1 = 10 * t + 1,2 * n = 5 * t，n = 5 * u，N = 20 * u，那么N是9,45,81,117，.... + 1，則N在21,41,61,81,101,121 ....;如果4 * n + 1 = 10 * t - 1,2 * n = 5 * t - 1 = 5 *（2 * v + 1 ）-1，n = 5 * v + 2，N = 20 * v + 9，則N在29,49,69,89,109,129,149 ....

全步驅(qū)動（兩個階段）
這是全步驅(qū)動電機的常用方法。 兩相始終打開，因此電機將提供其最大額定轉(zhuǎn)矩。 一旦關(guān)閉一個階段，另一個階段就會打開。 波動和單相全步都是同一個，步數(shù)相同但扭矩不同。

半步
半步進時，驅(qū)動器在兩相之間交替，單相開啟。 這增加了角分辨率。 電機在全步位置（僅有單相接通）的扭矩較?。s70％）。 這可以通過增加有源繞組中的電流來進行補償來減輕。 半步進的優(yōu)點是驅(qū)動電子設(shè)備不需要改變來支持它。 在上面顯示的動畫圖中，如果我們將其改為半步，則需要8步才能旋轉(zhuǎn)1個齒位置。 因此，每完整旋轉(zhuǎn)將有25×8 = 200步，每步將為360/200 = 1.8°。 它每步的角度是整個步驟的一半。

微步
通常稱為微步進的通常是正弦 - 余弦微步進 ，其中繞組電流近似于正弦AC波形。 正弦 - 余弦微步進是最常見的形式，但也可以使用其他波形。 [5]無論使用何種波形，隨著微步進變小，電機操作變得更加平滑，從而大大減少了電機可能連接的任何部件以及電機本身的共振。 分辨率將受到電機和終端設(shè)備之間的機械靜摩擦 ， 反沖和其他誤差源的限制。 齒輪減速器可用于增加定位的分辨率。

步長重復性是一個重要的步進電機特性，也是它們用于定位的根本原因。

示例：許多現(xiàn)代混合式步進電機的額定值使得每個完整步驟的行程（例如，每個完整步驟1.8度或每轉(zhuǎn)200個完整步驟）將在每個其他完整步驟的行程的3％或5％范圍內(nèi)，因為電動機在規(guī)定的工作范圍內(nèi)運行。 一些制造商表明，他們的電機可以輕松地保持步進行程尺寸的3％或5％相等，因為步長從完全踩踏減少到1/10踩踏。 然后，隨著微步進除數(shù)增加，步長重復性降低。 在大步長減小時，可以在任何運動發(fā)生之前發(fā)出許多微步命令，然后運動可以“跳轉(zhuǎn)”到新位置。 [6]

理論
步進電機可視為同步交流電機，極數(shù)（轉(zhuǎn)子和定子兩者）增加，注意它們沒有共同點。 另外，轉(zhuǎn)子和定子上具有許多齒的軟磁材料便宜地倍增極數(shù)（磁阻電動機）。 現(xiàn)代步進機采用混合設(shè)計，具有永磁體和軟鐵芯 。

為了達到滿額定轉(zhuǎn)矩，步進電機中的線圈必須在每一步中達到其全額定電流 。 由移動的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的繞組電感和反電動勢傾向于抵抗驅(qū)動電流的變化，因此隨著電動機加速，在全電流下花費的時間越來越少 - 從而降低了電動機轉(zhuǎn)矩。 隨著速度進一步增加，電流不會達到額定值，最終電機將停止產(chǎn)生扭矩。

拉入扭矩
這是步進電機在沒有加速狀態(tài)下運行時產(chǎn)生的扭矩的量度。 在低速時，步進電機可以使其自身與施加的步進頻率同步，并且該拉入扭矩必須克服摩擦和慣性。 重要的是要確保電機上的負載是摩擦力而不是慣性，因為摩擦會減少任何不必要的振蕩。 
引入曲線定義稱為開始/停止區(qū)域的區(qū)域。 在該區(qū)域中，可以在施加負載的情況下瞬間啟動/停止電動機，而不會失去同步。

拉出扭矩
通過將電動機加速到所需速度然后增加扭矩負載直到電動機停止或錯過步驟來測量步進電動機的拉出扭矩。 該測量是在很寬的速度范圍內(nèi)進行的，結(jié)果用于生成步進電機的動態(tài)性能曲線 。 如下所述，該曲線受驅(qū)動電壓，驅(qū)動電流和電流切換技術(shù)的影響。 設(shè)計者可以在額定扭矩和應用所需的估計滿載扭矩之間包括安全系數(shù)。

制動扭矩
使用永磁體的同步電動機在未被電驅(qū)動時具有諧振位置保持轉(zhuǎn)矩（稱為制動轉(zhuǎn)矩或齒槽效應 ，并且有時包括在規(guī)范中）。 軟鐵磁阻芯不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

振鈴和共振
當電動機移動一步時，它會超過最終的靜止點，并在它休息時繞這一點擺動。 這種不期望的振鈴經(jīng)歷電動機振動并且在無負載電動機中更明顯。 如果經(jīng)歷的振動足以導致失去同步，則卸載或欠載的電動機可能并且經(jīng)常會停轉(zhuǎn)。

步進電機具有固有的操作頻率 。 當激勵頻率與該共振匹配時，振鈴更明顯，可能錯過步驟，并且更可能停止。 電機共振頻率可以通過以下公式計算：


評級和規(guī)格
步進電機的銘牌通常只給出繞組電流，偶爾也給出電壓和繞組電阻。 額定電壓將產(chǎn)生DC的額定繞組電流：但這主要是無意義的額定值，因為所有現(xiàn)代驅(qū)動器都是電流限制且驅(qū)動電壓大大超過電機額定電壓。

制造商提供的數(shù)據(jù)表通常表示電感。 反電動勢同樣重要，但很少列出（使用示波器測量很簡單）。 這些數(shù)據(jù)有助于更深入的電子設(shè)計，偏離標準電源電壓，調(diào)整第三方驅(qū)動電子設(shè)備，或在選擇具有其他類似尺寸，電壓和扭矩規(guī)格的電機型號時獲得洞察力。

步進器的低速扭矩將隨電流直接變化。 扭矩在更快的速度下下降的速度取決于繞組電感及其所連接的驅(qū)動電路，尤其是驅(qū)動電壓。

步進器的尺寸應根據(jù)公布的扭矩曲線確定 ， 扭矩曲線由制造商在特定驅(qū)動電壓下或使用其自身的驅(qū)動電路指定。 扭矩曲線中的下降表明可能存在共振，設(shè)計者應該理解其對應用的影響。

適用于惡劣環(huán)境的步進電機通常被稱為IP65等級。 

美國國家電氣制造商協(xié)會（NEMA）標準化了步進電機的各個方面。 它們通常用NEMA DD表示，其中DD是面板的直徑，以英寸乘以10（例如，NEMA 17的直徑為1.7英寸）。 還有其他說明符來描述步進電機，這些細節(jié)可以在ICS 16-2001標準（第4.3.1.1節(jié)）中找到。 有關(guān)Reprap網(wǎng)站的有用摘要和更多信息。

應用
計算機控制的步進電機是一種運動控制 定位系統(tǒng) 。 它們通常作為開環(huán)系統(tǒng)的一部分進行數(shù)字控制，以用于保持或定位應用。

在激光和光學領(lǐng)域，它們經(jīng)常用于精密定位設(shè)備，例如線性致動器 ， 線性平臺 ， 旋轉(zhuǎn)平臺 ， 測角器和鏡座 。 其他用途包括包裝機械，以及用于流體控制系統(tǒng)的閥門先導級的定位。

商業(yè)上，步進電機用于軟盤驅(qū)動器 ， 平板掃描儀 ， 計算機打印機 ， 繪圖儀 ， 老虎機 ， 圖像掃描儀 ， 光盤驅(qū)動器， 智能照明 ， 相機鏡頭 ， CNC機器以及最近的3D打印機中 。

步進電機系統(tǒng)
步進電機系統(tǒng)由三個基本元件組成，通常與某種類型的用戶界面（主機，PLC或啞終端）結(jié)合使用：

索引
分度器（或控制器）是能夠為驅(qū)動器產(chǎn)生步進脈沖和方向信號的微處理器 。 此外，索引器通常需要執(zhí)行許多其他復雜的命令功能。
驅(qū)動程序
驅(qū)動器（或放大器）將分度器命令信號轉(zhuǎn)換為激勵電動機繞組所需的功率。 有許多類型的驅(qū)動器，具有不同的電壓和電流額定值和構(gòu)造技術(shù)。 并非所有驅(qū)動器都適合運行所有電機，因此在設(shè)計運動控制系統(tǒng)時，驅(qū)動器選擇過程至關(guān)重要。
步進電機
步進電機是一種電磁裝置，可將數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換為機械軸旋轉(zhuǎn)。 步進電機的優(yōu)點是低成本，高可靠性，低速時的高扭矩以及簡單，堅固的結(jié)構(gòu)，幾乎可在任何環(huán)境中運行。 使用步進電機的主要缺點是在低速時經(jīng)常出現(xiàn)的共振效應和隨著速度增加而減小的扭矩。 [8]
好處

控制成本低
啟動時的高扭矩和低速
耐用性
簡單的施工
可以在開環(huán)控制系統(tǒng)中運行
低維護
不太可能失速或滑倒
可以在任何環(huán)境中工作
可廣泛用于機器人技術(shù)。
高可靠性
電機的旋轉(zhuǎn)角度與輸入脈沖成比例。
電機在靜止狀態(tài)下具有全扭矩（如果繞組通電）
精確定位和移動的可重復性，因為良好的步進電機精度為步長的3-5％，并且該誤差從一步到下一步是非累積的。
對啟動/停止/倒車的出色響應。
非常可靠，因為電機中沒有接觸刷。 因此，電動機的壽命僅取決于軸承的壽命。
電機對數(shù)字輸入脈沖的響應提供了開環(huán)控制，使電機更簡單，控制成本更低。
通過直接連接到軸的負載可以實現(xiàn)非常低速的同步旋轉(zhuǎn)。
由于速度與輸入脈沖的頻率成比例，因此可以實現(xiàn)寬范圍的旋轉(zhuǎn)速度。
另請參見
有刷直流電動機
無刷直流電動機
輪緣
分馬力馬達
伺服電機
電磁閥
三相交流同步電動機
ULN2003A （步進電機）驅(qū)動器IC