步進電機是怎樣工作的？它有哪些特點？

在本節(jié)中，我們將學習如下一些內容：

1）什么是步進電機；

2）與步進電機相關的一些基本概念；

3）步進電機的分類與結構；

4）步進電機的特點；

1.1、什么是步進電機

步進電機是一種基于電磁感應原理、把電脈沖信號轉換為角位移或線位移的開環(huán)控制電機，是工業(yè)控制系統(tǒng)中一種常見的執(zhí)行機構（注：工業(yè)控制系統(tǒng)由控制器、控制元件、傳感器及執(zhí)行機構組成）。

步進電機的內部由轉子和定子組成，下面這張圖是一個兩相步進電機的外觀圖：

 

1.2、步進電機相關的基本概念

1.2.1、相數：是指步進電機定子繞組的組數（即內部線圈的個數）。常見的有兩相、三相、四相、五相步進電機；

1.2.2、步距角：步進電機接收一個脈沖信號后所轉過的角度，步距角在電機出廠時已經確定，會寫在電機上。一般兩相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相電機的步距角為0.75°/1.5°，五相電機的步距角為0.36°/0.72°；如果不使用細分驅動器，只能靠選擇不同步距角的步進電機來滿足控制要求。細分驅動器可以改變步進電機的步距角，這個我們將在第二節(jié)《認識步進驅動器》中介紹；

1.2.3 、保持轉矩（holding torque）：是指步進電機繞組通電且轉子沒有轉動時，使電機能夠移動完整的一步所需要的扭矩。保持轉矩主要受電機繞組所允許的最大電流限制，通常大于運行轉矩（running torque）。保持轉矩是步進電機最重要的參數之一，它的優(yōu)點在于可以使負載保持在某個位置。在不特別指明的情況下，通常說的步進電機的轉矩就是指保持轉矩。比如，某步進電機的轉矩為3.5NM，就是指其保持扭矩為3.5NM；

1.2.4、阻尼轉矩（detent torque）：是指步進電機繞組在不通電的情況下，由其本身的機械特性（永磁性結構）所產生的轉矩。在不通電的情況下，用手去轉動轉子可以感受到阻尼轉矩；

1.3、步進電機的分類與結構

步進電機的內部由轉子（rotor）和定子（stator）組成。

當定子線圈通電時，會產生感應磁場，感應磁場與轉子相互作用使轉子轉過一定的角度。

根據勵磁方式的不同，步進電機可分為：永磁式、反應式（磁阻式）和混合式三種。

1.3.1、永磁式（permanent magnet stepper motor）

永磁式步進電機的轉子（rotor）是一種永磁性的、柱狀結構，具有N極和S極；定子是具有對稱結構的勵磁線圈；當定子線圈通入直流電后，根據安培右手定律，線圈的兩端會產生磁場；定子產生的磁場與轉子的永磁性材料相互作用從而使轉子轉動。通過給定子繞組交替通電，就能控制轉子按照某個方向交替運動；

永磁式步進電機的定子/轉子結構如下圖所示：

 

1.3.2、反應式（variable reluctance stepper motor）

反應式步進電機也稱為磁阻式步進電機，其轉子是一個非磁性的、軟鐵性質的、齒狀結構；其定子由勵磁線圈組成；由于轉子是非磁性結構，因此在定子沒有通電之前，定子與轉子之間沒有任何磁性相互作用。因此，反應式步進電機沒有阻尼轉矩（detent torque）。

反應式步進電機內部結構示意圖如下：

 

1.3.3、混合式（hybrid stepper motor）

顧名思義，混合式步進電機結合了永磁式和反應式步進電機的優(yōu)點，它的轉子采用永磁性材料，并且將其分成南極（S極）和北極（N極）兩個部分，每個部分又有很多的齒狀結構，如下圖所示：

 

混合式步進電機的定子由勵磁線圈組成，每一組線圈下面也具有交替分布的齒狀結構。如下圖所示：

 

混合式步進電機的步距角小、動態(tài)性能好，是使用最廣泛的步進電機。下面這張圖是混合式步進電機的轉子和定子實物圖：

 

1.4、步進電機的特點

步進電機結構簡單、使用方便、沒有積累誤差、只需要脈沖信號就能進行工作，因此既可以使用PLC進行控制，也可以使用單片機等能產生脈沖信號的裝置進行控制，在工業(yè)自動化控制中使用非常廣泛。

不過其噪音和震動較大，并且可能會出現(xiàn)失步的情況，因此只適合于精度要求不高的場合。

另外步進電機的位置和速度信號不能反饋給控制系統(tǒng)，一般只能用于開環(huán)控制。如果要構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要在運動軸上增加編碼器等信號反饋裝置。