步进电机结构及原理介绍

二相混合式步进电机是一种混合式电机 [1] 。二相混合式步进电机由定子和转子两部分组成。常见的定子有8个极或4个极，极面上均匀分布一定数量的小齿;极上线圈能以两个方向通电。它的转子也由圆周上均布一定数量小齿的两块齿片等组成。这两块齿片相互错开半个齿距。两块齿片中间夹有一只轴向充磁的环形永久磁钢。显然，同一段转子片上的所有齿都具有相同极性，而两块不同段的转子片的极性相反。

混合式步进电动机内部结构特殊，是一类高度非线性的机电装置。 1986年Hanselman采用磁场的“磁网络单元法”来计算反应式步进电机的磁场。1988年，G Heine提出了精确的混合式步进电机的等值磁网络模型，首次在模型中考虑了定子极间漏磁通，每极边缘转矩对电机矩角特性及步距误差的影响，分析了四相混合式步进电机谐波转矩对电机矩角特性及步距误差的影响，但是这种模型耗费的机时量仍然很大 。

为简化数学分析， 沿用G.Heine提出的混合式步进电机等值磁网络模型，以典型的二相八极混合式步进电动机，忽略铁心饱和和高次谐波对电机磁系统的影响 (铁心饱和和高次谐波往往是步进电机极限运行时的状况，正常运行时，不会对定性分析的结论有原则性的影响)，建立了分析细分驱动的简化基本数学模型。

混合式步进电动机绕组电感参数的特点与普通电机有区别，具有轴向和径向混合的磁系统，定转子双凸结构。在二相混合式步进电机磁网络模型简化磁路图中，定子八个极中在直径上相对的两个极的电磁状态完全相同，可以合并。这样电机的每一端只有4条支路。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自戴化设备中。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。当步进驱私器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进申机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。

工业控制中采用的定子磁极上带有小齿，转子齿数很多的结构，其步距角可以做得很小。图2混合式步进电机绕组接线图中A,B两相绕组沿径向分相，沿着定子圆周有8个凸出的磁极，1,3,5,7磁极属于A相绕组，2, 4, 6, 8磁极属于B相绕组，定子侮个极面上有5个齿，极身上有控制绕组。转子由环形磁钢和两段铁芯组成，环形磁钢在转子中部，轴向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端，使得转子轴向分为两个磁极。转子铁芯上均匀分布50个齿，两段铁芯上的小齿相互错开半个齿距，定转子的齿距和齿宽相同 [1] 。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件，通过控制施加在电机线圈上的电脉冲顺序、频率和数量，可以实现对步进电机的转向、速度和旋转角度的控制。配合以直线运动执行机构或齿轮箱装置，更可以实现更加复杂、精密的线性运动控制要求。步进电机一般由前后端盖、轴承、中心轴、转子铁芯、定子铁芯、定子组件、波纹垫圈、螺钉等部分构成，步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，是由缠绕在电机定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在定子齿槽上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。

步进电机(stepper motor)是一种是将电脉电流信号转变为角位移或线位移的控制元件。简单的说，你给步进电机一个脉冲电流信号，它就会转动一个角度，所以具有定位精度高的特点。

普通的直流或交流电机只要施加合适的电压就能够使其转动，断电即可使其停止转动，控制起来虽然很方便，但有些时候，我们需要很精确地控制转动的角度，以便实现一些高精度的定位操作。例如DVD播放器或硬盘控制读盘时，打印机控制打字位置时，监控器控制转向时，数控机床进行定位时，机器人控制动作时等等，普通的电机很难满足这种需求，而步机电机就可以。从名称也可以看出，步进电机就是“按步前进”的电机，一次只会旋转一个固定的角度，每旋转一次可称为1拍，而每拍旋转的角度可称为步距角。

为了进一步理解步进电机的硬件驱动电路设计，我们先来了解一下它的基本结构。最简单的步进电机如下图所示

可以看到，步进电机与所有电机一样分为定子(stator)与转子(rotor)，在定子周围均匀分布的齿槽上缠绕的那些线圈(coil)，我们可以称为绕组或相，这些绕组按对进行排列，其中绕组A与A’形成一对，绕组B与B’形成一对。而转子则是一块能够绕中心任意旋转的永磁铁，它有N与S两极。由于定子上存在两个绕组，而转子上存在两个磁极，所以我们也可以称其为双相双极电机。绕组注入一定电流时就会产生一定的磁场，它也有N与S两极，从不同绕组注入电流就可以改变磁场的极性，从而能够对永磁铁转子产生不同方向的吸力，这是转子旋转的基本原理。

下面我们具体来看看转子是怎么旋转的。假设电流从绕组A注入再从绕组A’流出，则两个绕组都会产生一定的磁场。根据右手定则，线圈A与线圈A’产生的磁场方向均为上N下S，再根据“同名相斥、异名相吸”的基本原理，永磁铁的N极会被绕组A产生的磁场S极吸过来，与此同时，永磁铁的S极会被绕组A’产生的磁场N极吸过来，它们的吸力是同时产生的，也就引起转子顺时针旋转90o，如下图所示(以转子中红色N极为参考基准)

驱动电路设计上只需要四个电子开关。在双极性驱动模式下，因为每相的绕组线圈为100%励磁，所以双极性驱动模式下电机的输出力矩比单极性驱动模式下提高了约40%。

步进电机的特性

1、 精准的位置控制

依照输入脉冲的数量，确定轴转动的角度。位置误差非常小(小于1/10度)，且不累积。

2、精确的转速

步进电机的转速取决于输入电脉冲的频率，可以实现精确控制和方便调节。因此被广泛地应用于各种运动控制领域。

3、 正向/反向转动，急停及锁定功能

在整个速度范围内都可以实现对电机力矩和位置的有效控制，包括静力矩。在电机锁定状态下(电机绕组中存在电流，而外部没有旋转的脉冲指令输入)，仍然保持一定的力矩输出。

4、 低转速条件下的精准位置控制

步进电机不需要借助齿轮箱的调节，就可以在非常低的转速下平稳运行，同时输出较大的力矩，避免了功率的损耗和角度位置偏差，同时降低了成本，节省了空间。

5、 更长的使用寿命

步进电机的无电刷设计保证了电机的使用寿命很长。步进电机的寿命通常取决于轴承。

振动与噪音

一般来讲，步进电机在空载运行情况下，当电机的运行频率接近或等于电机转子的固有频率时会发生共振， 严重的会发生失步现象。