什么是步進電機？

步進電機是將電脈沖信號，轉變為角位移或線位移的開環控制電機，又稱為脈沖電機。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響。當步進驅動器接收到一個脈沖信號時，它就可以驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”。?

步進電機的旋轉是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率，來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機多用于數字式計算機的外部設備，以及打印機、繪圖機和磁盤等裝。

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步進電機的特點

步進電機工作時的位置和速度信號不反饋給控制系統，如果電機工作時的位置和速度信號反饋給控制系統，那么它就屬于伺服電機。相對于伺服電機，步進電機的控制相對簡單，但不適用于精度要求較高的場合。

步進電機的優點和缺點都非常的突出，優點集中于控制簡單、精度高，缺點是噪聲、震動和效率，它沒有累積誤差，結構簡單，使用維修方便，制造成本低。步進電機帶動負載慣量的能力大，適用于中小型機床和速度精度要求不高的地方，缺點是效率較低、發熱大，有時會“失步”。優缺點如下所示。

優點：

1. 電機操作易于通過脈沖信號輸入到電機進行控制；

2. 不需要反饋電路以返回旋轉軸的位置和速度信息（開環控制）；

3. 由于沒有接觸電刷而實現了更大的可靠性。

缺點：

1. 需要脈沖信號輸出電路；

2. 當控制不適當的時候，可能會出現同步丟失；

3. 由于在旋轉軸停止后仍然存在電流而產生熱量。

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步進電機的分類

在相同電流且相同轉矩輸出的條件下，單極型步進電機比雙極型步進電機多一倍的線圈，成本更高，控制電路的結構也不一樣，目前市場上流行的大多是雙極型步進電機。

步進電機在構造上通常主要按照轉子特點和定子繞組進行分類，下面將詳細介紹這兩種類型的分類。

按照轉子分類，有三種主要類型：反應式（VR型）、永磁式（PM型）、混合式（HB型）。

反應式

定子上有繞組，繞組由軟磁材料組成。其結構簡單、成本低、步距角小，可達1.2度，但動態性能差，效率低、發熱大，可靠性難以保證。

永磁式

永磁式步進電機的轉子用永磁材料制成，轉子的極數與定子的極數相同。其特點是動態性能好、輸出力矩大，但這種電機度差，步距角大（一般為7.5度或15度）。

混合式

混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優點，其定子上有很多相繞組，轉子上采用永磁材料，轉子和定子均有多個小齒以提高步距精度。其特點是輸出力矩大、動態性能好、步距角小，但結構復雜、成本相對較高。

步進電機按照定子上繞組來分類，共有二相、三相和五相等系列。目前最受歡迎的是兩相混合式步進電機，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細分驅動器后效果良好。

該種電機的基本步距角為1.8度/步，配上半步驅動器后，步距角減少為0.9度，配上細分驅動器后。其步距角可細分達256倍（0.007度/微步）。由于摩檫力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進電機可配不同細分的驅動器以改變精度的效果。

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步進電機的工作原理

步進電機是通過脈沖信號來進行控制，每輸入一個脈沖信號，步進電機前進一步。步進電機旋轉的步距角，是在電機結構的基礎上等比例控制產生的，如果控制電路的細分控制不變，那么步進旋轉的步距角在理論上是一個固定的角度。在實際工作中，電機旋轉的步距角會有微小的差別，主要是由于電機結構上的固定有誤差產生的，而且這種誤差不會積累。

步進電機的總極數越大，加工精度的要求就會越高。通常工業用混合型步進電機的步距角是1.8度，就是200極。

步進電機的相電流及磁場，遵循安培右手螺旋定律，由電能產生磁場能量，控制電機相電流，就能使電機定子的磁極方向發生反轉，二相磁場的變化相配合，進而產生電機的旋轉。

如果電流方向發生變化，磁極的方向也會發生變化，步進電機的電流流過定子產生磁場的過程叫做勵磁。

通常所說的二相步進電機，電機轉子的旋轉，包含不同磁極的磁場相斥和相吸實現的。如上圖所示，A相產生N極磁場吸引轉子的S極，B相產生S極磁場吸引轉子的N極，使定子產生旋轉的動力。如果改變A、B相定子線圈的電流方向，電機會產生另一步的旋轉。連續改變A、B相定子線圈的電流方向，電機會產生連續的旋轉。

如上圖所示，電機的運動是通過改變電流在電機中的流動來實現的，電子轉子排斥B相磁極的定子，吸引A相磁極的定子，這就產生了另一個步進操作。

執行另一個步進操作，電機定子磁極反轉，轉子排斥B相磁極的定子，吸引A相磁極的定子，如上圖所示。

如上圖所示，定子線圈中的電流方向無論何時發生變化，磁極將會反轉，轉子重復步進操作。東芝步進電機驅動控制電路對電機的磁場勵磁的控制，是通過脈寬調制方式實現的，能夠實現電機高效、穩定的運行。

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步進電機的操作模式

步進電機的基本操作模式稱為“勵磁模式”，能夠使步進電機工作在全步模式、半步模式和微步模式，其中微步模式能夠有效的降低步進電機相電流的噪聲，能夠改善步進電機固有的噪聲震動問題。下面將介紹3種勵磁模式。

全步模式

所謂全步模式，就是依據電機固有結構設計固定的步距角工作，一個電脈沖，步進電機前進一個步距角。這個步距角使電機設計結構所決定的，也可以理解為電機以最大的步距角旋轉。

半步模式

半步模式是以電機固有的結構決定的步距角的一半角度進行步進旋轉。如下圖所示，步進電機的總極數是4級，對應的步距角是90度，那么半步模式下，步進電機每個脈沖旋轉45度。

微步模式

微步模式類似于半步模式，步距角更小，就是1/4步、1/8步、1/16步，可以到很高的細分。對應的步進角度就是在整步步距角乘以微步系數。

步進電機的步距角越小，需要的加工精度會越高，對應的微步時的步進角度的誤差會越大。

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電機控制驅動器

步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電機驅動器，它有脈沖發生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。如下圖所示。

驅動單元與步進電機直接耦合，也可以理解成步進電機微機控制器的功率接口。下面將使用MCU和分離元器件的系統舉例說明。MCU相當于是控制電機的大腦，它向分立器件發送電機的步距角時間、轉動方向和重復次數等，而分立器件根據MCU發出的信號，將放大電壓和電流并將其發送至電機，從而驅動電機轉動。

如上圖所示，該系統使用了MCU和電機控制驅動器IC。從輸入控制信號來區分，步進電機控制器IC可以分為相入力型和時鐘入力型。相入力型是指電機的每個勵磁相的電流方向由輸入信號控制，而時鐘入力型是指電機的驅動由脈沖信號來控制。

相入力型

相入力型電機驅動器需要A和B兩相的控制信號，只需要時鐘信號，需要控制信號的MCU做更多的運輸工作。

時鐘入力型

時鐘入力型電機驅動器的控制接口，需要時鐘信號（單脈沖信號）輸入，其控制信號相對簡單，MCU的資源占用較少。

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電機驅動安全技術

上電復位功能（POR）

上電復位功能將監控電機驅動器，以及電機驅動控制器的電源。為防止電機操作故障，它將強制關閉輸出信號直至供電電壓保持穩定。如下圖所示。

過電流檢測功能（ISD）

過電流關斷功能將監控輸出單元的電流，如果電流超過規定值，將強制關閉輸出，該功能的用途在于當發生短路時暫時停止IC輸出。如下圖所示。

熱關斷功能（TSD）

熱關斷功能在于，當電機控制驅動器芯片溫度超過規定值時關閉輸出，并保持該狀態直至溫度下降。

編輯：黃飛

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