步进电机 – 水墨博客

本文最后更新于 100 天前，其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

概念

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。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。在不借助带位置感应的闭环反馈控制系统的情况下、使用步进电机与其配套的驱动器共同组成的控制简便、低成本的开环控制系统，就可以实现精确的位置和速度控制。如，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。比如运用在3D打印机，机器人，数控机床等。

组成

1. 定子（Stator）

定义：定子是步进电机的静止部分，通常由多个电磁线圈（绕组）组成，这些线圈分布在定子的周围。
作用：当电流通过线圈时，定子产生一个旋转磁场，通过控制不同绕组的通电顺序，定子磁场可以驱动转子步进移动。
特点：定子的绕组数量决定了步进电机的每一步进角度。步进电机的绕组越多，步进角度越小，控制精度越高。

2. 转子（Rotor）

定义：转子是步进电机的旋转部分，通常由永久磁铁或软铁构成。
作用：转子在定子的磁场作用下跟随磁场步进旋转。当定子磁场变化时，转子会随着磁场的变化逐步旋转，每次旋转一个固定的角度。
特点：转子的磁极数量、材料和构造会影响电机的性能，转子磁极越多，电机每一步的角度越小，精度越高。

3. 轴（Shaft）

定义：轴是连接在转子上的机械部件，是步进电机输出机械运动的部分。
作用：当转子旋转时，轴也随着旋转。轴通常与设备或机械系统相连，通过轴将步进电机的旋转运动传递给外部设备。
特点：步进电机的转速和步进角度通过轴输出，轴的旋转精度决定了外部设备的运动精度。

4. 绕组（Windings）

定义：绕组是定子中的线圈部分，由铜线绕成，通过外部电源供电产生磁场。
作用：当电流流过绕组时，绕组会产生电磁力，形成定子的磁极，驱动转子的旋转。绕组的通电顺序和频率决定了步进电机的转速和方向。
特点：不同的步进电机可能有不同数量的绕组和相位。常见的步进电机有两相和五相电机，绕组数量和相位决定了电机的步进模式和精度。

5. 控制器（Controller）

定义：步进电机的控制器是一个外部设备，用于生成电机的控制信号（脉冲信号或RS485等通信信号）。
作用：控制器决定了步进电机的工作方式，包括转动的速度、方向、步进角度等。控制器通过调节通向绕组的电流脉冲频率和顺序，控制步进电机的运动。
特点：高性能的控制器可以支持开环、闭环、FOC等控制模式，实现精确的运动控制。

6. 驱动器（Driver）

定义：驱动器是步进电机的驱动电路，负责将控制器生成的控制信号转化为电流脉冲，驱动电机的绕组通电。
作用：驱动器通过调节电流和电压，确保步进电机的绕组能够按顺序通电，并且电机在负载条件下能够正常工作。
特点：驱动器会根据电机的工作需求调节供电，通常可以调节电流大小、脉冲频率等，保障电机在不同负载下的稳定性。

7. 反馈系统（可选）

定义：反馈系统包括编码器或位置传感器，用于检测步进电机的实际转动角度或位置。
作用：在闭环控制中，反馈系统实时监测电机的运动情况，将反馈信号传递给控制器，帮助调整控制信号，防止电机丢步。
特点：反馈系统常用于高精度要求的应用中，确保步进电机的运动精度。

步进电机相数

步进电机中的相数是指电机上绕组的对数，即绕组分成几组。依次通电产生磁场，驱动转子进行旋转。每一相的通电顺序不同，导致转子产生不同的步进角和运动方式。

两相步进电机

两相步进电机的定子上有两组绕组，分别称为相A和相B。
通过控制相A和相B的绕组通电顺序，转子依次步进。
结构简单、成本较低，适合较低精度的应用场合。
相比三相和五相步进电机，两相电机的步进角度较大，运行的平滑性稍差。

三相步进电机

三相步进电机有三个相绕组，通常称为相A、相B、相C。
通过顺序对三组绕组通电，转子依次按照固定角度旋转。
三相电机的步进角度比两相电机更小，因此控制精度更高，运行更平稳。

五相步进电机

五相步进电机有五个绕组，分别称为相A、相B、相C、相D、相E。
通过五个绕组的依次通电，转子旋转的步进角度非常小，这使得五相电机在高精度和高平滑度的控制中表现出色。

工作原理

步进电机工作原理

下面来介绍步进电机的基本工作原理。该图为两相双极步进电机，是其双极型线圈每一相（一组线圈）的励磁示例。该图是以状态从①到④变化为前提的。线圈分别由线圈 1 和线圈 2 组成。另外，电流箭头表示电流流动方向。
状态①
・使电流从线圈 1 的左侧流入，从线圈 1 的右侧流出。

・线圈 2 中没有电流流过。

・此时，左线圈 1 的内侧变为 N，右线圈 1 的内侧变为 S。

・因此，中间的永磁体被线圈 1 的磁场吸引，变为左侧 S和右侧 N 的状态并停止。
状态②
・停止线圈 1 的电流，使电流从线圈 2 的上侧流入，从线圈 2 的下侧流出。
・上线圈 2 的内侧变为 N，下线圈 2 的内侧变为 S。
・永磁体被其磁场吸引，顺时针旋转 90°并停止。
状态③
・停止线圈 2 的电流，使电流从线圈 1 的右侧流入，从线圈 1 的左侧流出。
・左线圈 1 的内侧变为 S，右线圈 1 的内侧变为 N。
・永磁体被其磁场吸引，顺时针再旋转 90°并停止。
状态④
・停止线圈 1 的电流，使电流从线圈 2 的下侧流入，从线圈 2 的上侧流出。
・上线圈 2 的内侧变为 S，下线圈 2 的内侧变为 N。
・永磁体被其磁场吸引，顺时针再旋转 90°并停止。
综上所述，通过电路按照上述①至④的顺序切换流过线圈的电流，即可使电机旋转。在该示例中，每一次切换会使电机旋转 90°。另外，当使电流持续流过某一线圈时，可以保持停止状态并使电机具有保持转矩。顺便提一下，如果将流过线圈的电流顺序反过来，则可以使电机反向旋转。

步进电机的微步驱动工作原理

步进电机可以通过被称为“微步”的驱动方法来实现更精细的步距角控制。在该示例中，按步距（使电流流经一组线圈中的一个而不流经另一个线圈）介绍了电机每旋转 90°时的原理。而微步驱动则可以使电机按照更精细的步距角旋转。微步驱动的优点主要有两个：一个是可以控制微小角度的位置。另一个是可以降低低速范围内的振动和噪声。步进电机在每一步都伴随着阻尼振动，最终停止在所定位置。也就是说，相对于停止位置多次向前过头、后退过头最后完全停止。如果步进电机低速旋转，则这种阻尼振动可能会引起振动和噪声。通过减小步距角可以减少阻尼振动，因此，通过微步驱动可以降低低速范围的振动和噪声。用图来介绍微步驱动的工作原理。在两相双极结构中，按照简单的线圈切换，步距角应该为 90°，而该图是将其均分为四的 1/4 步驱动示例，并按照①～⑤的顺序，分别列出了当使电机按 90°的 1/4 = 22.5°步距角旋转时各线圈的电流和磁场情况。

状态①
・使电流从线圈 1 的左侧流入，从线圈 1 的右侧流出。
・线圈 2 中没有电流流过。

・此时，左线圈 1 的内侧变为 N，右线圈 1 的内侧变为 S。
・中间的永磁体* 被线圈 1 的磁场吸引，变为左侧 S 和右侧 N 的状态并停止。
・假设当线圈电流为 Io 时，产生的磁场强度为 M0。

状态②
・若要使之从①向前顺时针旋转 22.5°（90°的 1/4），需要保持磁场强度 M0 并产生使永磁体在相应位置停止的磁场。
・要实现这个目标，只要使线圈 1 产生 M0×cos（22.5°）≈ M0×0.924 的磁场、使线圈 2 产生 M0×sin（22.5°）≈ M0×0.383 的磁场即可。
・为此，需要将线圈 1 的电流控制为 Io×cos（22.5°）≈Io×0.924、将线圈 2 的电流控制为 Io×sin（22.5°）≈Io×0.383。
状态③
・若要再向前旋转 22.5°（即从①向前顺时针旋转 45°），需要产生相应的磁场 M0。
・要实现这个目标，只要使线圈 1 产生 M0×cos（45°）≈M0×0.707 的磁场、使线圈 2 产生 M0×sin（45°）≈M0×0.707 的磁场即可。
・为此，需要将线圈 1 的电流控制为 Io×cos（45°）≈Io×0.707、将线圈 2 的电流控制为 Io×sin（45°）≈Io×0.707。
状态④
・ ③若要再向前旋转 22.5°（即从①向前旋转 67.5°），同样需要产生相应的磁场 M0。
・要实现这个目标，只要使线圈 1 产生 M0×cos（67.5°）≈ M0×0.383 的磁场、使线圈 2 产生 M0×sin（67.5°）≈ M0×0.924 的磁场即可。
・为此，需要将线圈 1 的电流控制为 Io×cos（67.5°）≈Io×0.383、将线圈 2 的电流控制为 Io×sin（67.5°）≈Io×0.924。

状态⑤
・若要再向前旋转 22.5°（即从①向前旋转 90°），需要使电流 Io 通过线圈 2，并使线圈 1 中的电流为 0。如上所述，磁场的大小恒定、根据角度控制流过各线圈的电流来形成磁场、并通过任意步距使转子旋转和停止的工作称为“微步驱动工作”。在这里是将 90°均分为四的 1/4 步驱动的示例，不过目前已经可以实现 1/32 步驱动了。如前所述，通过微步驱动可进行微小角度位置控制并减少噪声和振动。

步进电机基本特性

上图显示了步进电机的转矩和速度之间的关系。纵轴为转矩，横轴为脉冲频率。脉冲频率是指驱动脉冲的频率，在步进电机中，通常使用脉冲频率 pps（pulses per second，每秒脉冲数）代替频率 Hz。蓝色曲线表示“牵入转矩特性”，黄色曲线表示“失步转矩特性”。

牵入转矩特性
“牵入转矩特性”也称为“启动转矩特性”，表示可以使停止状态的电机启动的频率（脉冲频率）与负载转矩之间的关系。牵入转矩曲线内的区域称为“自启动区域”，是可以启动、停止和反转的区域。另外，将负载转矩为零的频率＝可以启动电机的极限频率称为“最大自启动频率”。如图所示，频率越高，可启动的负载转矩越低。
失步转矩（Pull-out Torque）特性
“失步转矩特性”也称为“连续特性”或“牵出转矩特性”。表示在自启动后增加负载转矩时可以继续旋转的频率。因此，其值高于牵入转矩特性的值。电机可以连续运行的极限称为“最大连续运行频率”。与牵入转矩特性一样，失步转矩特性也是负载转矩会随着脉冲频率的增加而降低。
保持转矩（Holding Torque）
步进电机在通电状态下，在电机停止时即使施加外力，电机也试图通过转子与定子之间的吸引力来保持停止位置，这种保持力称为“保持转矩”。在上图中，即工作频率（脉冲频率）为零、也就是停止状态下的转矩。顺便提一下，步进电机的转矩之所以随着工作频率的增加而减小，是因为受绕线电感影响，电流难以在高频条件下流动。另外，步进电机的牵入转矩特性和失步转矩特性会因励磁方法和驱动电路而异。因此，对步进电机的特性研究中，需要进行包括驱动方法和电路在内的整体评估。

步进电机控制方式

开环控制

开环控制（Open-loop Control）是一种不依赖于反馈的控制方式。在步进电机的开环模式下，控制器通过发送脉冲信号控制电机的步进，而无需检测电机的实际位置或速度。控制器假定电机会按预期步进，但不会检测是否出现了误差。
优点：控制系统简单，成本低，适合精度要求不高的应用。
缺点：可能出现丢步现象，即电机由于负载过大或其他原因无法完成预定的步数，导致位置误差。

闭环控制

闭环控制（Closed-loop Control）是一种依赖反馈的控制方式。在步进电机的闭环模式下，电机通过编码器（位置反馈装置）实时监测电机的实际位置，并将该信息反馈给控制器。控制器根据反馈信息调整控制信号，以确保电机按照设定的目标精确运行。
优点：有效防止电机丢步，保证精度高，适合对精度和响应速度要求高的场合。
缺点：系统复杂性和成本较高，需要额外的传感器（如编码器）进行反馈。

FOC（Field Oriented Control，矢量控制）

FOC控制是一种高效的电机控制算法，通常用于无刷直流电机或交流电机控制。它通过控制电机内部磁场方向实现精确、高效的电机控制。在步进电机的FOC模式下，驱动器根据电机的反馈信号和内部矢量算法，实时调整电流的相位和幅度，使电机运行更加平稳和高效。
优点：FOC算法能够最大程度地提升电机效率，降低噪音和振动，尤其适合高动态响应和高精度控制的场合。
缺点：算法复杂，需要较强的处理能力。

步进电机的常见接口

不同类型的步进电机有不同的接口，主要分为电源接口、信号接口和控制接口。以下是一些常见的步进电机接口：

电源接口

VCC（电源）：用于为步进电机提供工作电压。根据电机的规格，电源电压范围可以从5V到48V不等。常见的电压有12V、24V、36V等。
GND（地线）：步进电机的地线，所有电路的公共参考点，必须连接到系统的地。

相线接口

步进电机的相线接口用于控制电机的绕组。不同相数的步进电机有不同的相线接口：

两相步进电机：通常有四根线，分别对应A+、A-和B+、B-两相绕组的正负极。
三相步进电机：有六根线，对应A相、B相和C相的绕组。
五相步进电机：有十根线，对应五相绕组的正负极。

常见的两相步进电机的接线定义如下：

A+，A-：电机A相绕组的正负端。
B+，B-：电机B相绕组的正负端。

控制信号接口

STP（Step/步进信号）：步进电机的步进脉冲信号接口。每接收到一个脉冲，电机会旋转一个步进角度。脉冲的频率决定了电机的转速。
DIR（Direction/方向信号）：控制电机的旋转方向。通常高电平或低电平决定电机的顺时针或逆时针旋转。
EN（Enable/使能信号）：使能信号用于控制电机是否运行。当使能信号有效时，电机运行；当信号无效时，电机停止或处于保持状态。

反馈信号接口

一些带有闭环控制的步进电机会有反馈信号接口：

编码器接口：用于位置反馈的接口，编码器可以实时监测电机的实际位置，确保精确控制。
传感器接口：用于其他传感器的反馈（如电流传感器、温度传感器）以监控电机的工作状态。

通信接口

带有串行通信功能的步进电机会有通信接口，如：

RS485：用于远程通信和控制，支持多个设备通过总线连接。
UART（TTL）：用于与控制器或其他设备进行串行通信。

概念

组成