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21ic電子小課堂開課啦！第一堂課的主人公就是步進電機。作為廣泛應(yīng)用在機械、電子、紡織等領(lǐng)域的重要電子元件，在使用它的過程中往往需要掌握機械、電機、電子及計算機等許多方面的知識，所以想要熟練的使用它可不是一件易事哦！這次的電子小課堂小編為大家總結(jié)了步進電機的基礎(chǔ)知識講解，步進電機工作原理，步進電機設(shè)計方案以及步進電機應(yīng)用范例等許多內(nèi)容，為大家學(xué)習(xí)步進電機的道路上開一個好頭。

步進電機基礎(chǔ)知識講解

1.步進電機的簡介

步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)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（及步進角）。您可以 通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時您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。

2.步進電機的發(fā)展史

發(fā)展歷程 國家 大事件
原理的提出 法國人佛羅曼提出了將電磁鐵的吸引力轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)力矩的方法。當(dāng)時，激磁相的切換用機械式凸輪的接觸點來完成，這就是步進電機的原型。
實際應(yīng)用 1920年步進電機的實際應(yīng)用才開始，稱為VR（Variable Relutance，變磁阻）型步進電機，被英國海軍用作定位控制和遠程遙控。
混合式步進電機的誕生 大約在1952年，由美國GE公司的Karl Feiertag開發(fā)的發(fā)電機演變而來。與現(xiàn)在的兩相HB型步進電機結(jié)構(gòu)相同，取得了US專利。

3.步進電機的特點

步進電機相對普通電機來說，他可以實現(xiàn)開環(huán)控制，即通過驅(qū)動器信號輸入端輸入的脈沖數(shù)量和頻率實現(xiàn)步進電機的角度和速度控制，無需反饋信號。但是步進電機不適合使用在長時間同方向運轉(zhuǎn)的情況，容易燒壞產(chǎn)品，即使用時通常都是短距離頻繁動作較佳。
相對伺服電機來說，伺服電機內(nèi)部通過安裝旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)了反饋控制，伺服電機可以達到的轉(zhuǎn)矩要高于步進電機，但是價格相對也高，所以在轉(zhuǎn)矩能滿足的情況下，推薦用步進電機。步進電機配合驅(qū)動器使用，很多驅(qū)動器都支持細分功能，即實現(xiàn)很小的步進角，控制更精確。

4.步進電機的主要分類

步進電機在構(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）。
名稱 樣式 簡介
反應(yīng)式步進電機 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。
永磁式步進電機 永磁式步進電機的轉(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，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）。
混合式步進電機 混合式步進電機綜合了反應(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，步距角小，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電機，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細分驅(qū)動器后效果良好。該種電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅(qū)動器后，步距角減少為0.9°，配上細分驅(qū)動器后其步距角可細分達256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進電機可配不同細分的驅(qū)動器以改變精度和效果。

5.步進電機的主要結(jié)構(gòu)

定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。定子的每對極上都繞有一對繞組，構(gòu)成一相繞組，共三相稱為A、B、C三相。
在定子磁極和轉(zhuǎn)子上都開有齒分度相同的小齒，采用適當(dāng)?shù)凝X數(shù)配合，當(dāng)A相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒一一對應(yīng)時，B相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒相互錯開1/3齒距，C相則錯開2/3齒距。
A相繞組與齒1、5一一對應(yīng)，而此時B相繞組與齒2錯開1/3齒距，而與齒3錯開2/3齒距，C相繞組與齒3錯開2/3齒距，而與齒4錯開1/3齒距。
電機的位置和速度由繞組通電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由繞組通電的順序決定。

6.步進電機的選型

電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機軸上，每個當(dāng)量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。
步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）
進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：
P= Ω·M Ω=2π·n/60 P=2πnM/60

7.步進電機與伺服電機的區(qū)別


步進電機

伺服電機

·控制精度不同

步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）

·低頻特性不同

步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。

·矩頻特性不同

步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。

·過載能力不同

步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。

·運行性能不同

步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

·速度響應(yīng)性能不同

步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能更好，可用于要求快速啟停的控制場合。

步進電機的工作原理知識講解

當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉(zhuǎn)動。

相關(guān)原理介紹：

步進電機相關(guān)設(shè)計總結(jié)

步進電機的應(yīng)用案例盤點

最新技術(shù)專題展示