步進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電機的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式、工作原理以及應用中的注意事項。

步進電機是一種特殊的控制電機。它的旋轉(zhuǎn)以一個固定的角度(稱為“步進角度”)一步一步地進行。其特點是無累積誤差(精度為100%)，因此廣泛應用于各種開環(huán)控制中。步進電機必須由電子設備驅(qū)動。這個裝置就是步進電機驅(qū)動器，它把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)換成步進電機的角位移，或者每次：控制系統(tǒng)發(fā)出一個脈沖信號，步進電機就通過驅(qū)動器旋轉(zhuǎn)一個步進角，所以步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。因此，控制步進脈沖信號的頻率可以精確地給電機速度；通過控制步進脈沖的數(shù)量，可以精確定位電機。這種線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期誤差而沒有累積誤差等特點。在速度和位置控制領域，用步進電機控制非常簡單。

一、步進電機的構(gòu)造（以五相步進電機為例）

步進電機的結(jié)構(gòu)如下圖所示，大致分為定子和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)子2和永磁鋼組成。

定子有10個齒狀磁極，全部用線圈纏繞。線圈對角線位置的磁極相互連接，電流流動后線圈會被磁化成相同的極性。(比如一個線圈通過電流后，對角的磁極會同化成S極或N極。)對角線上的兩極形成一相，由于A相到E相有五相，所以稱為五相步進電機。

轉(zhuǎn)子的外環(huán)由50個小齒組成，轉(zhuǎn)子1和轉(zhuǎn)子2的小齒在結(jié)構(gòu)上錯開1/2節(jié)距。因此，轉(zhuǎn)子形成了100個小齒。目前有單加工到100齒的高分辨率轉(zhuǎn)子，所以高分辨率轉(zhuǎn)子有200個小齒。所以可以機械地實現(xiàn)普通步進電機的半步分辨率(需要電氣細分)。

二、步進電機工作原理

當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生矢量磁場。磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個角度，使轉(zhuǎn)子的一對磁場的方向與定子的方向一致。定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度時。轉(zhuǎn)子也與磁場成一定角度旋轉(zhuǎn)。每次輸入電脈沖，電機都會旋轉(zhuǎn)一個角度向前移動。其輸出角位移與輸入脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電順序，電機就會反轉(zhuǎn)。因此，控制脈沖的數(shù)量和頻率以及電機各相繞組的通電順序可以用來控制步進電機的旋轉(zhuǎn)。

三、步進電機的控制

步進電機的基本驅(qū)動方式有三種：整步、半步和細分。主要區(qū)別在于電機線圈電流的控制精度(即勵磁方式)。通常步進電機具有低頻振動的特點，通過細分和協(xié)調(diào)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(qū)動

在全步進運行中，同一個步進電機既可以配備全/半步驅(qū)動器，也可以配備細分驅(qū)動器，但運行效果不同。步進電機驅(qū)動器根據(jù)脈沖/方向指令循環(huán)激勵兩相步進電機的兩個線圈(即給線圈充電設定電流)。該驅(qū)動模式的每個脈沖將使電機移動一個基本步進角，即1.80度(標準兩相電機的一個圓內(nèi)有200個步進角)。

2、半步驅(qū)動

單相勵磁時，電機轉(zhuǎn)軸停在整步位置，驅(qū)動器收到下一個脈沖后，勵磁另一相，保持原相

來相繼處在激磁狀態(tài)，則電機轉(zhuǎn)軸將移動半個步距角，停在相鄰兩個整步位置的中間。如此循環(huán)地對兩相線圈進行單相然后雙相激磁步進電機將以每個脈沖0.90度的半步方式轉(zhuǎn)動。和整步方式相比，半步方式具有精度高一倍和低速運行時振動較小的優(yōu)點，所以實際使用整/半步驅(qū)動器時一般選用半步模式。

　　3、細分驅(qū)動

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

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

　　四、應用中的注意點

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

　　2、步進電機好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。

　　3、轉(zhuǎn)動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，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。

　　5、高精度時，應通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數(shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少。

　　五、步進電機測試注意點

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

　　對于反電動勢常數(shù)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勢常數(shù)。對于牽出轉(zhuǎn)矩的測試，對于大基座的步進電機，一般采用磁粉制動器和電機測試平臺來進行測試，小基座的步進電機采用彈簧秤和繩子的組合方法來測試。MPT電機測試系統(tǒng)目前針對步進電機的測試可以提供整體的測試方案和測試系統(tǒng)，幫助工程師快速完善研發(fā)設計的步進電機。