步進(jìn)電機因其在速度和位置控制精度方面的優(yōu)異性能而被廣泛應用于電機行業(yè)。我們將深入分析步進(jìn)電機的結構、驅動(dòng)方式、工作原理以及應用中的注意事項。

步進(jìn)電機是一種特殊的控制電機。它的旋轉以一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步進(jìn)角度”)一步一步地進(jìn)行。其特點(diǎn)是無(wú)累積誤差(精度為100%)，因此廣泛應用于各種開(kāi)環(huán)控制中。步進(jìn)電機必須由電子設備驅動(dòng)。這個(gè)裝置就是步進(jìn)電機驅動(dòng)器，它把控制系統發(fā)出的脈沖信號轉換成步進(jìn)電機的角位移，或者每次：控制系統發(fā)出一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機就通過(guò)驅動(dòng)器旋轉一個(gè)步進(jìn)角，所以步進(jìn)電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。因此，控制步進(jìn)脈沖信號的頻率可以精確地給電機速度；通過(guò)控制步進(jìn)脈沖的數量，可以精確定位電機。這種線(xiàn)性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機只有周期誤差而沒(méi)有累積誤差等特點(diǎn)。在速度和位置控制領(lǐng)域，用步進(jìn)電機控制非常簡(jiǎn)單。

一、步進(jìn)電機的構造（以五相步進(jìn)電機為例）

步進(jìn)電機的結構如下圖所示，大致分為定子和轉子。轉子由轉子1、轉子2和永磁鋼組成。

定子有10個(gè)齒狀磁極，全部用線(xiàn)圈纏繞。線(xiàn)圈對角線(xiàn)位置的磁極相互連接，電流流動(dòng)后線(xiàn)圈會(huì )被磁化成相同的極性。(比如一個(gè)線(xiàn)圈通過(guò)電流后，對角的磁極會(huì )同化成S極或N極。)對角線(xiàn)上的兩極形成一相，由于A(yíng)相到E相有五相，所以稱(chēng)為五相步進(jìn)電機。

轉子的外環(huán)由50個(gè)小齒組成，轉子1和轉子2的小齒在結構上錯開(kāi)1/2節距。因此，轉子形成了100個(gè)小齒。目前有單加工到100齒的高分辨率轉子，所以高分辨率轉子有200個(gè)小齒。所以可以機械地實(shí)現普通步進(jìn)電機的半步分辨率(需要電氣細分)。

二、步進(jìn)電機工作原理

當電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生矢量磁場(chǎng)。磁場(chǎng)會(huì )帶動(dòng)轉子旋轉一個(gè)角度，使轉子的一對磁場(chǎng)的方向與定子的方向一致。定子的矢量磁場(chǎng)旋轉一個(gè)角度時(shí)。轉子也與磁場(chǎng)成一定角度旋轉。每次輸入電脈沖，電機都會(huì )旋轉一個(gè)角度向前移動(dòng)。其輸出角位移與輸入脈沖數成正比，其轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電順序，電機就會(huì )反轉。因此，控制脈沖的數量和頻率以及電機各相繞組的通電順序可以用來(lái)控制步進(jìn)電機的旋轉。

三、步進(jìn)電機的控制

步進(jìn)電機的基本驅動(dòng)方式有三種：整步、半步和細分。主要區別在于電機線(xiàn)圈電流的控制精度(即勵磁方式)。通常步進(jìn)電機具有低頻振動(dòng)的特點(diǎn)，通過(guò)細分和協(xié)調可以提高電機低速運行的平衡性。下面我給大家詳細介紹一下：

1、整步驅動(dòng)

在全步進(jìn)運行中，同一個(gè)步進(jìn)電機既可以配備全/半步驅動(dòng)器，也可以配備細分驅動(dòng)器，但運行效果不同。步進(jìn)電機驅動(dòng)器根據脈沖/方向指令循環(huán)激勵兩相步進(jìn)電機的兩個(gè)線(xiàn)圈(即給線(xiàn)圈充電設定電流)。該驅動(dòng)模式的每個(gè)脈沖將使電機移動(dòng)一個(gè)基本步進(jìn)角，即1.80度(標準兩相電機的一個(gè)圓內有200個(gè)步進(jìn)角)。

2、半步驅動(dòng)

單相勵磁時(shí)，電機轉軸停在整步位置，驅動(dòng)器收到下一個(gè)脈沖后，勵磁另一相，保持原相

來(lái)相繼處在激磁狀態(tài)，則電機轉軸將移動(dòng)半個(gè)步距角，停在相鄰兩個(gè)整步位置的中間。如此循環(huán)地對兩相線(xiàn)圈進(jìn)行單相然后雙相激磁步進(jìn)電機將以每個(gè)脈沖0.90度的半步方式轉動(dòng)。和整步方式相比，半步方式具有精度高一倍和低速運行時(shí)振動(dòng)較小的優(yōu)點(diǎn)，所以實(shí)際使用整/半步驅動(dòng)器時(shí)一般選用半步模式。

　　3、細分驅動(dòng)

　　細分驅動(dòng)模式具有低速振動(dòng)極小和定位精度高兩大優(yōu)點(diǎn)。對于有時(shí)需要低速運行(即電機轉軸有時(shí)工作在60rpm以下)或定位精度要求小于0.90度的步進(jìn)應用中，細分驅動(dòng)器獲得廣泛應用。

　　其基本原理是對電機的兩個(gè)線(xiàn)圈分別按正弦和余弦形的臺階進(jìn)行精密電流控制，從而使得一個(gè)步距角的距離分成若干個(gè)細分步完成。例如十六細分的驅動(dòng)方式可使每圈200標準步的步進(jìn)電機達到每圈200*16=3200步的運行精度(即0.1125°)。

　　四、應用中的注意點(diǎn)

　　1、步進(jìn)電機應用于低速場(chǎng)合---每分鐘轉速不超過(guò)1000轉，（0.9度時(shí)6666PPS)，好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過(guò)減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機工作效率高，噪音低。

　　2、步進(jìn)電機好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。

　　3、轉動(dòng)慣量大的負載應選擇大機座號電機。

　　4、電機在較高速或大慣量負載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。

　　5、高精度時(shí)，應通過(guò)機械減速、提高電機速度,或采用高細分數的驅動(dòng)器來(lái)解決，也可以采用5相電機，不過(guò)其整個(gè)系統的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠(chǎng)家少。

　　五、步進(jìn)電機測試注意點(diǎn)

　　根據國標GB/T 20638-2006，對于步進(jìn)電機的測試我們一般需要關(guān)注反電動(dòng)勢常數、保持轉矩、繞組溫升、矩角特性測試、牽出轉矩、高反轉頻率等測試。

　　對于反電動(dòng)勢常數的測試，可以采用功率分析儀的測試方法直接在儀器上得出反電動(dòng)勢常數。對于牽出轉矩的測試，對于大基座的步進(jìn)電機，一般采用磁粉制動(dòng)器和電機測試平臺來(lái)進(jìn)行測試，小基座的步進(jìn)電機采用彈簧秤和繩子的組合方法來(lái)測試。MPT電機測試系統目前針對步進(jìn)電機的測試可以提供整體的測試方案和測試系統，幫助工程師快速完善研發(fā)設計的步進(jìn)電機。