步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理 
步進(jìn)電機(jī)是一種專門用于位置和速度精確控制的特種電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的最大特點是其數(shù)字性，對于微電腦發(fā)過來的每一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)在其驅(qū)動器的推動下運轉(zhuǎn)一個固定角度（簡稱一步），如下圖所示。如接收到一串脈沖步進(jìn)電機(jī)將連續(xù)運轉(zhuǎn)一段相應(yīng)距離。同時您可通過控制脈沖頻率，直接對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。由于步進(jìn)電機(jī)工作原理易學(xué)易用，成本低（相對于伺服）、電機(jī)和驅(qū)動器不易損壞，非常適合于微電腦和單片機(jī)控制，因此近年來在各行各業(yè)的控制設(shè)備中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用.本文將向用戶簡述步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，舉例說明步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的工作原理，直線步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。

 步進(jìn)電機(jī)的種類和特點步進(jìn)電機(jī)在構(gòu)造上有三種主要類型：反應(yīng)式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式(Hybrid Stepping,HS)。
反應(yīng)式：
定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡單、成本低、步距角小，可達(dá)1.2、但動態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。
永磁式：
永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點是動態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機(jī)精度差，步矩角大。
混合式：
混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點，其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態(tài)性能好，步矩角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高。 按定子上繞組來分，共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，約占 97% 以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細(xì)分驅(qū)動器后效果良好。該種電機(jī)的基本步矩角為1.8/步，配上半步驅(qū)動器后，步矩角減少為0.9;，配上細(xì)分驅(qū)動器后其步矩角可細(xì)分達(dá)256倍。由于摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進(jìn)電機(jī)可配不同細(xì)分的驅(qū)動器以改變精度和效果。
1. 基本結(jié)構(gòu)：

2. 工作原理：簡單的講，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)外來的脈沖，通過其內(nèi)部的邏輯電路控制步進(jìn)電機(jī)的繞組按一定的次序正反通電，從而實現(xiàn)其運轉(zhuǎn)。以兩相1.8度，步進(jìn)電機(jī)為例，
其主要分為4線（雙極性），6線（單極性）兩種方式：

線（雙極性）電機(jī)，當(dāng)其繞組的通電方向順序按照AC-BD-CA-DB 四個狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，每變化一次，電機(jī)運轉(zhuǎn)一步,即1.8度。

 6線（單極性）電機(jī)，當(dāng)其繞組的通電方向順序按照OA-OB-OC-OD 四個狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，每變化一次，電機(jī)運轉(zhuǎn)一步,即1.8度。以上僅僅是一個原理性的介紹，實際的運行中會有很多復(fù)雜的情況產(chǎn)生，其相應(yīng)的控制方式也有很多種，如果需要特殊的幫助，可以和上海運控公司聯(lián)系。步進(jìn)電機(jī)的基本原理

   電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，步進(jìn)電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運動。每個脈沖所產(chǎn)生的運動是精確的，并可重復(fù)，這就是為什么步進(jìn)電機(jī)在定位應(yīng)用中如此有效的原因。    

圖2顯示了一個兩相電機(jī)的典型的步進(jìn)順序。在第1步中，兩相定子中的A相被通電，因異性相吸，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示位
置。當(dāng)A相關(guān)閉、B相被通電時，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)90。在第3步中，B相關(guān)閉、A相被通電，但極性與第1步相反，這促使轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)90。在第4步中，A相關(guān)閉、B相通電，極性與第2步相反。重復(fù)該順序促使轉(zhuǎn)子按90;的步距角順時針旋轉(zhuǎn)。      圖2中顯示的步進(jìn)順序稱為單相通電步進(jìn)。更常用的步進(jìn)方法是雙相通電，即電機(jī)的兩相一直通電。但是，一次只能轉(zhuǎn)換一相的極性，見圖3所示。兩相步進(jìn)時，轉(zhuǎn)子與定子兩相之間的軸線處對直。由于兩相一直通電，本方法比單相通電步進(jìn)多提供了41.1%的力矩，但輸入功率為2倍。

半步步進(jìn)   電機(jī)也可以轉(zhuǎn)換相位之間插入一個關(guān)閉狀態(tài)而走半步。這將步進(jìn)電機(jī)的整個步距角一分為二。例如，一個90的步進(jìn)電機(jī)將每半步移動45，見圖4。但是，與兩相通電相比，半步進(jìn)通常導(dǎo)致15%-30%的力矩?fù)p失（取決于步進(jìn)速率）。在每交換半步的過程中，由于其中一個繞組沒有通電，所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力要小，造成了力矩的凈損失。
 

雙極性繞組  二相通電步進(jìn)順利利用了一種雙極性線圈繞組的方法，每極只有一個繞組，通過改變繞組中的電流方向，從而改變相應(yīng)極上的電磁極性，典型的兩相雙極驅(qū)動的輸出步驟在電器原理圖和下面圖5中的步進(jìn)順序中有進(jìn)一步闡述。
 

單極性繞組     另一常用繞組是單極性繞組，每個電極上饒有兩個繞組，當(dāng)一個繞組通電時，產(chǎn)生被磁場，另一個繞組通電則產(chǎn)生南磁場，因為從驅(qū)動器到線圈的電流不會反向，所以可稱為單極性繞組。該方法下電機(jī)的步進(jìn)順序見圖6所示。通過這種設(shè)計使得電子驅(qū)動器簡單化，但是與雙極性繞組相比，其力矩大約小30%，因為磁線圈僅被利用了一半。
 

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精度     混合式式步進(jìn)電機(jī)精確度達(dá)3-5%每步，且不累積。一個1.2度的步進(jìn)電機(jī)每步的誤差會少于0.06度，而且不管走了多少步，這個誤差是不會累積的。
力矩一個特定的旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)所產(chǎn)生的力矩是下述參數(shù)的函數(shù)• 步進(jìn)速度
• 通過繞組的電流大小• 所使用的驅(qū)動器的類型
(直線電機(jī)所產(chǎn)生的力也取決于這些因素)力矩是摩擦力矩(Tf)和慣性力矩(Ti)之和摩擦力矩（oz-in或g-cm）為要求移動一個載荷的力（單位為oz或g）乘以用于驅(qū)動載荷的力臂（r）長度（單位為in或cm）(見圖8所示)。 

慣性力矩(Ti)是用于加速負(fù)載（單位為：g-cm2）而需要的力矩其中:
I=轉(zhuǎn)動慣量，單位: g-cm2w=步進(jìn)速率，單位：步數(shù)/秒
t=時間，單位：秒
θ=步距角度，單位：度
常數(shù)：93.73 應(yīng)該注意到的是，當(dāng)電機(jī)的步進(jìn)頻率增加時，電機(jī)的反向電動勢（EMF）也增加，限制了電流的增大，并導(dǎo)致可使用的輸出力矩的減少。   步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的工作原理步進(jìn)電機(jī)在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。它可以把脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，并且可用作電磁制動輪、電磁差分器、或角位移發(fā)生器等。 　　有時從一些舊設(shè)備上拆下的步進(jìn)電機(jī)(這種電機(jī)一般沒有損壞)要改作它用，一般需自己設(shè)計驅(qū)動器。本文介紹的就是為從一日本產(chǎn)舊式打印機(jī)上拆下的步進(jìn)電機(jī)而設(shè)計的驅(qū)動器。本文先介紹該步進(jìn)電機(jī)的工作原理，然后介紹了其驅(qū)動器的軟、硬件設(shè)計�！　�1. 步進(jìn)電機(jī)的工作原理　　該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖�！　D1 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖　　

開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒�！　‘�(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極
 
產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。 　　四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。