關(guān)于步進電機的簡要介紹

步進電機是一種感應(yīng)電機，是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)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(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。

步進電機既是現(xiàn)代電子產(chǎn)品時代的產(chǎn)物，也是它的助推器。作為一項技術(shù)創(chuàng)新，它需要以下幾個關(guān)鍵組件的發(fā)展：

?轉(zhuǎn)子所需的小型、強力永久磁鐵

?打開和關(guān)閉其電磁線圈的半導(dǎo)體功率器件

?以正確的順序和定時驅(qū)動開關(guān)的智能電子部件

當然，成本必須低。作為一個技術(shù)助推器，一個關(guān)鍵因素是提供小型、低成本的高精度電機，這種電機存在廣泛的應(yīng)用空間，包括打印機、掃描儀、現(xiàn)金提取自動取款機、小型硬盤和磁帶驅(qū)動器、相機平移/縮放/傾斜（PZT）控制器，以及我們周邊的無數(shù)其它小到中型的設(shè)備（圖1）。

圖1：由于其低成本和高性能，步進電機無所不在。在數(shù)不清的應(yīng)用中，它們在工作時卻不那么引人注目，如消費類打印機移動打印頭和進紙。 （來源：IStockPhoto.com）

步進電機基礎(chǔ)知識

為了解步進電機的基本結(jié)構(gòu)，我們可以先來看看它的前身，目前仍然在廣泛使用的無刷直流（BLDC）電機（圖2）。在最常見的BLDC電機設(shè)計中，永久磁鐵被放置在轉(zhuǎn)子上，而電磁鐵則纏繞在定子的外圍。當電磁線圈通電時，由于轉(zhuǎn)子永久磁鐵和定子線圈之間的引力，轉(zhuǎn)子將相應(yīng)地排成直線。通過反轉(zhuǎn)流向線圈的電流，或在旋轉(zhuǎn)順序上輪流開關(guān)一些電磁鐵（兩種技術(shù)都在使用，以應(yīng)對不同的應(yīng)用），遵循這些線圈產(chǎn)生的變化磁場，轉(zhuǎn)子將開始轉(zhuǎn)動。通過改變開關(guān)頻率，電動機的轉(zhuǎn)速也將改變。對于BLDC電機，加電序列的頻率決定了轉(zhuǎn)速。

圖2A:BLDC電機連線示意圖。

圖2B：輻設(shè)計BLDC電機。理解步進電機的操作可以先從依然流行的無刷直流馬達開始，后者是步進馬達的前身，它利用了嵌入轉(zhuǎn)子的永久磁鐵和纏繞在定子周圍的固定電磁線圈之間的相互作用。 （資料來源，圖2A和2B：Dave Wilson，德州儀器）

固定切換的線圈與轉(zhuǎn)子的永久磁鐵相互作用，這一原則也是永磁步進電機的基礎(chǔ)。這一基礎(chǔ)設(shè)計存在許多變體，包括混合式電機，它將可變磁阻電機與步進電機結(jié)合了起來。為建造一個步進電機，需要確定轉(zhuǎn)子上永久磁鐵的數(shù)目——即所謂的極點——相比于BLDC電機有所增加，至少需要12（30°間隔）個，典型地可能多達200個（1.8°間距）（圖3）。這里存在一個權(quán)衡：隨著極數(shù)的增加，旋轉(zhuǎn)的分辨率增加（通常是好事），但成本也增加，并且可用扭矩在下降（不好的一面）。

圖3：步進電機使用一圈電磁極與一組嵌入轉(zhuǎn)子的永磁體陣列相互作用。隨著這些磁極的通電和斷電，轉(zhuǎn)子跟隨產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)動。 （來源：Anaheim Automation）

盡管是BLDC電機某種形式的擴展，步進電機卻比前者復(fù)雜很多。受到轉(zhuǎn)子磁體陣列的限制，電機僅可在有限的步伐或者增量內(nèi)前進，并且將在給定的位置上停留，只要線圈保持通電并且沒有后排序運作。其結(jié)果是，步進電機可以旋轉(zhuǎn)到一個精確的角度，可以確位一個特定位置，以及很容易被控制以生成更大和更小的旋轉(zhuǎn)量。雖然步進電機可用于連續(xù)旋轉(zhuǎn)，但此時的表現(xiàn)還不如一個BLDC電機。相反，步進電機的優(yōu)勢在于能夠根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)過或到特定的角度、停止、啟動或者反轉(zhuǎn)，并且快速完成這些需求。