步进电机的工作原理_步进电机工作原理是什么

步进电机是一种开环控制元件，将电脉冲信号转换成角位移或线位移。通过控制施加到电机线圈的电脉冲的顺序、频率和数量，可以控制步进电机的转向、速度和旋转角度。配合直线运动执行机构或齿轮箱装置，可以实现更复杂、更精密的直线运动控制要求。步进电机一般由前后端盖、轴承、中心轴、转子铁芯、定子铁芯、定子总成、波纹垫圈、螺钉等部件组成。步进电机也叫步进器，利用电磁原理将电能转化为机械能，由缠绕在电机定子齿槽上的线圈驱动。通常，绕成一圈的导线称为螺线管，而在电机中，绕在定子齿槽上的导线称为绕组、线圈或相。

步进电机的工作原理是什么？当电流流过定子绕组时，定子绕组产生矢量磁场。磁场会带动转子旋转一个角度，使转子的一对磁场方向与定子一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度时。转子也随着磁场旋转一个角度。每输入一次电脉冲，电机就旋转一个角度，向前运动。其输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电顺序，电机反转。因此，步进电机的旋转可以通过控制脉冲的数量和频率以及电机各相绕组的通电顺序来控制。

通常各种电机内部都有铁芯和绕组线圈。绕组有电阻，通电时会造成损耗。损耗与电阻和电流的平方成正比。这就是我们常说的铜损。如果电流不是标准的DC或正弦波，也会造成谐波损耗。铁芯有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，损耗与材料、电流、频率、电压有关。这叫铁损。

铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和转矩输出，效率低，电流大，谐波成分高，而且电流的交变频率随速度变化，所以步进电机一般会有发热，情况比普通交流电机更严重。

电机将电能转化为机械能，步进电机是将电脉冲信号转化为角位移或线位移的开环控制元件。在非过载的情况下，电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响，即电机加一个脉冲信号，电机转过一个步距角。这种线性关系的存在，加上步进电机只有周期误差，没有累积误差等特点。用步进电机控制速度和位置非常简单。

永磁步进电机包括永磁转子、线圈绕组和导磁定子。线圈绕组励磁会产生电磁场，电磁场分为北极和南极，如图1所示。定子产生的磁场使转子旋转以与定子磁场对齐。通过改变定子线圈的通电顺序，电机转子可以产生连续的旋转运动。

图2显示了两相电机的典型步进序列。第一步，两相定子的A相通电，其磁场因异性相吸而将转子固定在图示位置。当A相闭合且B相通电时，转子顺时针旋转90。第3步，B相关，A相开，但极性与第1步相反，使转子再次旋转90。第4步，A相关，B相开，极性与第2步相反。重复这一顺序会导致转子顺时针旋转90的步进角。

图2所示的步骤序列称为“单相励磁”步骤。比较常用的步进方式是“两相励磁”，电机两相始终通电。然而，一次只能切换一个相位，

半步步进电机也可以在转换相位之间插入闭合状态，行走“半步”。这将步进电机的整个步距角一分为二。例如，90步进电机每半步移动45，如图4所示。但与“两相通电”相比，半步通常会导致15% ~ 30%的转矩损失(取决于步率)。在交换半步的过程中，由于其中一个绕组没有通电，作用在转子上的电磁力很小，造成了转矩的净损失。

双极绕组

双相励磁引入了一种使用“双极线圈绕组”的方法，每相使用一个绕组，通过反转绕组中的电流来反转电磁极性。典型两相双极性驱动器的输出步骤在电气原理图和图5中的步骤序列中有进一步的阐述。如图所示，只需通过缠绕改变电流的方向，就可以改变组的极性。

单极绕组

另一种常见的绕组是单极绕组。一个电极上有两个绕组，这种连接方式是当一个绕组通电时，产生一个北极磁场；当另一个绕组通电时，就会产生南极磁场。因为从驱动器到线圈的电流不会反向，所以可以称为单极绕组。步骤顺序如图6所示。这种设计简化了电子驱动器。但是，与双极绕组相比，它的转矩要小30%左右，因为励磁线圈只用了一半。

根据通电顺序的不同，四相步进电机可分为单四拍、双四拍和八拍三种工作模式。单四拍和双四拍的步角相同，但单四拍的转动力矩较小。八拍工作模式的步距角是单四拍工作模式和双四拍工作模式的一半，因此八拍工作模式既能保持较高的转矩，又能提高控制精度。

单四拍、双四拍和八拍工作模式的上电时序和波形分别如图2.a、B和C所示：

达林顿管驱动的四相步进电机实例：(两相步进电机多采用H桥驱动，如L298N、L293D芯片)