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在工業自動化中，步進電機的應用非常的廣泛。例如工業機器人、3D打印機、計算機硬盤等都有步進電機的身影。步進電機的特殊性在于它可以控制轉子的角度位置，而不需要傳感器來控制位置，因此是一種開環控制系統。與直流無刷電機相似，他們都是通過控制線圈的通電時序，使磁鐵之間產生相互作用的力來旋轉。
根據步進電機的構造，可以分為永磁式、反應式和混合式3種。目前最常用的是混合式步進電機，因為它綜合了永磁式和反應式的優點。我們先通過永磁式步進電機來了解一些其結構和控制原理，然后進一步了解反應式和混合式步進電機的結構和控制原理。
為了增大磁感應強度，減少渦輪損失，步進電機的轉子和定子框架都是由高磁導率的硅鋼片疊成。在定子框架上有4個定子齒，將其繞上兩組線圈并通電后，根據電磁感應原理，此時線圈就變成了電磁鐵。
根據右手定則，一端會變成N極一端會變成S極，這種極性的變化可以通過改變電源的正負極來實現轉換。如果將電源的正負極轉換加上一定的規律性，定子部分就行形成一個旋轉的磁場，這樣轉子就會隨著旋轉的磁場而轉動。而轉子的轉動有一個很重要的參數，那就是：步距角。步距角就是一個脈沖信號轉子轉過的角度，其計算公式為：360度除以括號轉子齒數乘以運行拍數（永磁體齒數可以認為為1）。此步進電機的步距角為90度。
步進電機并不能直接接電源工作，因為步進電機的是通過脈沖信號來控制器工作的，因此步進電機的工作需要驅動器來控制。通過PLC編程控制脈沖的數量和頻率以及電機各相繞組的功率順序，控制步進電機的旋轉。步進電機的驅動方式有3種，即滿步、半步以及微步驅動。而根據通電相數，滿步驅動又分為單相滿步驅動和雙相滿步驅動兩種，這個看圖片我們就很容易能看懂。
半步驅動就是一次只驅動半個步距，它是通過單雙電交替通電實現的。當單相通電時，一個線圈產生磁場，轉子指向通電的線圈，而當雙相通電時，兩個線圈都產生磁場，合成的磁場使轉子處于中間位置。大家可以看圖片理解一下。
微步驅動其實也不難理解。隨著電流的大小變化，線圈磁場的強度也會隨之變化，轉子的平衡位置也會發生變化，這就是微步驅動的原理。A線圈開始有最大電流，B線圈電流為0，轉子指向A線圈。如果A線圈電流慢慢減小，B線圈電流慢慢增大，轉子就會慢慢的轉向B線圈。宏觀來看，A、B線圈的電流變化都接近于三角函數曲線。電流每一步變化的大小，則決定了微步運動的大小。雖然步數越多，運動越平滑，但是扭矩也會相應的減小。
反應式步進電機的轉子是由軟性材料制作而成的，轉子上有多個凸極，這樣線圈通電時，才會吸引轉子旋轉。這類電機結構簡單，成本低，但是動態性能差，可靠性不好，因此很少使用。
目前最常用的是混合式步進電機，這類電機綜合了以上兩種電機的優點。步距角小，力矩大，動態性能好。混合式步進電機的轉子比較特殊，它是由兩個帶齒鋼杯裝在永磁鐵的中心軸上組成的。轉子一端N極一端為S極，N及與S極齒牙是錯位的。常用的混合式步進電機為1.8度步距角，轉子有50齒，而定子只有48齒，分為8個主極。如果將這8個主極分為4對，我們會發現其中1對定子與轉子的齒牙是完全對齊的，一對定子與轉子的齒牙是錯牙的，另外兩組的定子與轉子的齒牙則是半對齊的。當給定子一個脈沖信號時，定子磁場發生變化，轉子就會輕微移動以便與定子齒位對齊，在全驅動情況下，每次移動都是一個凹齒或者凸齒的一半，這個角度就是1.8度。如果是半步驅動的話，這個角度會進一步減小，也就是0.9度。
以上就是步進電機的基本原理，不知道大家看懂了沒呢？
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發表于 2022-6-27 13:45:55
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