步进电机工作原理

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1、什么是步进电机

步进电机是基于电磁感应原理，将电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制电机。它是工业控制系统中常见的执行机构（注:工业控制系统由控制器、控制元件、传感器和执行机构组成）。

步进电机内部由转子和定子组成。下图显示了两相步进电机的外观:

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2、步进电机相关的基本概念

2.1.相数:指步进电机定子绕组的数量（即内部线圈的数量）。常见的两相、三相、四相和五相步进电机；

2.2.步进角度:步进电机收到脉冲信号后转动的角度。电机出厂时已经确定了步距角，并将写在电机上。一般两相电机的步距角为0.9°/1.8°，三相电机的步距角为0.75°/1.5°，五相电机的步距角为0.36°/0.72°。如果不使用细分驱动器，只能选择异步俯仰角的步进电机来满足控制要求。细分驱动器可以改变步进电机的步距角，我们将在第二节“了解步进驱动器”中介绍；

2.3.保持转矩:指步进电机绕组通电且转子不转动时，使步进电机移动一整步所需的转矩。保持转矩主要受电机绕组允许的最大电流限制，该电流通常大于运行转矩。保持转矩是步进电机最重要的参数之一，它的优点是能使负载保持在某一位置。除非另有说明，步进电机的转矩通常指保持转矩。例如，步进电机的扭矩为3.5NM，这意味着它将扭矩保持在3.5NM

2.4.制动转矩:指步进电机绕组在不通电时的机械特性（永磁结构）产生的转矩。没电的时候，用手转动转子就能感受到阻尼扭矩。

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3、步进电机的分类与结构

步进电机内部由转子和定子组成。

当定子线圈通电时，将产生感应磁场，该磁场与转子相互作用，使转子转动一定角度。

根据励磁方式的不同，步进电机可分为三种类型:永磁式、反应式（磁阻式）和混合型。

3.1.永磁步进电机

永磁步进电机的转子是永磁体，具有N极和S极的柱状结构。定子为对称结构的励磁线圈；当向定子线圈施加直流电时，根据安培右手定律，线圈两端将产生磁场。定子产生的磁场与转子的永磁材料相互作用，使转子旋转。通过给定子绕组交替通电，可以控制转子在某个方向上交替运动；

永磁步进电机的定子/转子结构如下图所示:

3.2、反应式（可变可靠性步进电机）

反应式步进电机又称磁阻式步进电机，其转子为非磁性、软铁和齿形结构。其定子由励磁线圈组成；因为转子是非磁性结构，所以在定子通电之前，定子和转子之间没有磁相互作用。因此，反应式步进电机没有阻尼转矩。

反应式步进电机内部结构示意图如下:

3.3.混合步进电机

顾名思义，混合式步进电机结合了永磁和反应式步进电机的优点。它的转子由永磁材料制成，分为南极（S极）和北极（N极）两部分，每个部分都有许多齿形结构，如下图所示:

混合式步进电机的定子由励磁线圈组成，每组线圈下都有交错分布的齿状结构。如下图所示:

混合式步进电机因其步距角小、动态性能好而成为应用最广泛的步进电机。下图是混合式步进电机转子和定子的实物图:

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4、步进电机的特点

步进电机结构简单，使用方便，无累积误差，只需脉冲信号即可工作。因此，它可以由PLC、单片机等能够产生脉冲信号的器件控制，在工业自动化控制中应用广泛。

但其噪声和振动较大，可能会出现失步现象，只适用于精度要求不高的场合。

此外，步进电机的位置和速度信号不能反馈到控制系统，只能用于开环控制。如果我们想形成一个闭环控制系统，我们需要在运动轴上添加编码器等信号反馈装置。