步進電機的原理是什么？它有哪3種運行模式？如何防止丟步？

羅羅日記 · 發表于 2020-11-17 23:53:13

（溫馨提示，因為網站圖片數量的限制，部分圖片沒有上傳）

在機械設計中，我們經常用到步進電機。

比如，用步進電機驅動同步帶軸，實現直線運動。

再比如，用步進電機驅動滾珠絲杠軸，也可以把旋轉運動轉換為直線運動。

因為不需要反饋系統，所以步進電機的最大優點是，低成本下可以獲得不錯的精度。

其實，除了機器中的運動平臺，生活中也可以發現步進電機的存在。

比如打印機，掃描儀，相機，ATM機，3D打印機等等。

步進電機的應用（不包括圖中機器人）

那么，步進電機的原理是什么？

用一句話來說就是：給定子中的一組或多組線圈輪流通電，線圈中的電流產生磁場，轉子為了尋找新的平衡位置，自動調整它的位置，對齊磁場，從而實現運動。

你可能會說，所有電機都是這個原理，哈，沒錯，那么關于具體細節，我們后面慢慢用圖來說。

其實此前，我對步進電機的原理了解得也不是很多，不過最近好像對各類電機有點上癮，所以特地多了解了一些，畢竟，我們時時刻刻都會和電機打交道。

了解了之后，這不趁今天周末，我就來分享一下。

但是因為我不是做電機的，所以若有不妥，或者不完善之處，還希望業內人士能夠在留言區指出，補充。

今天的主要內容包括：步進電機的種類，構造，原理，滿步半步微步控制方法，步進電機的速度扭矩特性，以及步進電機的優缺點等。

1.步進電機的類型

和其他類型的電機一樣，步進電機也是由定子和轉子構成。

在步進電機中，定子主要負責產生磁場，轉子負責跟隨磁場。

定子的主要特征包括相數，磁對數，以及線圈配置。

相數是獨立線圈的數目，而磁對數表示每一相會產生多少對磁場。

2相步進電機是最常使用的，而3相，5相不常用。

左圖是2相步進電機，右圖是3相步進電機定子示意圖

左圖是2相單磁對數定子，右圖是2相偶磁對數定子，字母N和S表示當A+和A-通電時，定子產生的磁場。

因為步進電機的構造會影響步距，速度，扭矩，以及控制方式。

所以，接下來我先說說幾種不同步進電機的構造。

它們的區別主要在于轉子是怎么做的。

（1）永磁式轉子（Permanent Magnet＝PM）

第一種，永磁式轉子，這種是最簡單，也是最便宜的。

它的結構如下圖，中間的轉子是用永磁鐵做成。

當定子線圈通電產生磁場，轉子磁鐵自動對齊磁場，跟隨旋轉。

永磁式轉子步進電機

線圈通電，中間轉子自動對齊線圈產生的磁場（圖片來自Microchip）

線圈通電，中間轉子自動對齊線圈產生的磁場（圖片來自Faulhaber）

這種結構，因為是用磁鐵做轉子，磁鐵磁通量大，進而扭矩大，所以保證了較好的輸出扭矩和制動扭矩。

所謂制動扭矩（Detent Torque），就是說，無論線圈是否通電，電機都會阻止旋轉，這是因為永磁鐵和定子之間的相互作用，會產生一定的扭矩，外力必須克服這個扭矩，電機才能動起來。

在電機生產廠家的產品目錄中，有的也寫為齒槽轉矩（Cogging Torque），或者殘余扭矩（Residual Torque）。

當然，有優勢也就有劣勢。

這種結構的不足之處在于，它的轉速和步距（分辨率）不高，比如一步轉動7.5°-15°，當然好處是體積可以做得很小，比如Φ20mm以下。

（2）可變磁阻式步進電機（Variable Reluctance＝VR）

可變磁阻式步進電機結構

這種電機，轉子是用軟磁材料做成，轉子多齒，不同的齒形分布，可以產生不同的分辨率，線圈通電吸引轉子，引發轉動。

這種結構的好處是，可以實現高速及高分辨率，而且沒有制動扭矩，但是扭矩比永磁式小，不適用于小電機。

因為沒有永磁鐵，所以可以在有外強磁場的環境中，使用這種電機。

（3）混合型（The Hybrid Design＝HB）

混合型，看名字也大概知曉其含義，就是永磁式和可變磁阻式的混合。

這種電機的典型結構如下圖。

永磁和可變磁阻混合型步進電機（來自Microchips）

混合型步進電機的運動原理

轉子帶兩個齒冠，齒冠在軸向被磁化，一個齒冠是北極，一個是南極。

這種配置，使得混合型步進電機既有永磁式的優點，又有可變磁阻式的優點，特別是擁有高分辨率，高速，高扭矩。

混合型步進電機，通常每圈有200步，也就是步距為360/200=1.8°，這種類型的電機受限于制造，目前最小只能做到Φ19mm。

當然，好特性需要更復雜的結構和控制，所以價格也更貴。

（4）單極步進電機和雙極步進電機

按照接線方式的不同，步進電機又可以分為單極步進電機（Unipolar Stepper Motor），和雙極步進電機（Bipolar Stepper Motor）。

單極和雙極步進電機的引線方法

單極步進電機驅動電路

在單極步進電機中，一根引線連接到線圈的中心點，這樣連線的好處是，可以用相對簡單的電路，來控制電流的方向。

如上圖所示，中央引線Am連接到輸入電壓Vin中，如果開關1處于激活狀態，則電流從Am流到A+。

如果開關2處于激活狀態，則電流會從AM流到A-，從而在相反的方向上產生磁場。

這種方法的好處是，可以簡化驅動電路，因為僅需要兩個半導體開關，但缺點是一次僅使用電機線圈的一半，這意味著，如果在線圈中流過相同的電流，磁場強度將會減半，另外，由于必須連接更多的引線，所以這種電機更難以構造。

雙極步進電機驅動電路

在雙極步進電機中，每個線圈只有兩個引線，要控制方向，必須使用H橋電路。

如上圖所示，如果開關1和4處于激活狀態，則電流從A+流向A-，而如果開關2和3處于激活狀態，則電流從A-流向A+，在相反的方向上產生磁場。

這種連線方案，缺點是需要更復雜的驅動電路，但優點是可以實現電機最大扭矩。和單極步進電機相比，可以提高40%的扭矩，也就是單極步進電機的√2倍。

2.步進電機的滿步，半步，及微步驅動

步進電機有三種驅動模式，即滿步，半步，還有微步驅動。

（1）滿步驅動（Full-step）

滿步驅動，就是一次走一個步距，這是一種常用的驅動方式。

根據通電相數，滿步驅動又分成兩種，一種是單相通電驅動，一種是雙相通電驅動。

為簡單起見，以永磁式步進電機為例來說明，如下圖。

單相通電滿步驅動，用線圈和磁鐵表示，這個容易懂

雙相通電滿步驅動，用線圈和磁鐵表示，這個容易懂

兩相滿步驅動時的線圈通電順序，一般在產品目錄中，供應商用這種表示方法。

單相和雙相通電滿步驅動概念

（2）半步驅動（Half-step）

半步驅動，就是一次只走半個步距。

實現方式是單相和雙相交替通電，原理如下圖。

半步驅動的好處是提高分辨率，但是缺點是扭矩只有兩相滿步驅動的70%，當然，也可以通過優化線圈中電流大小，來提高半步驅動扭矩。

半步驅動：單相雙相交替通電

兩相電機半步驅動：單相和雙相交替通電

單相和雙相交替通電，實現半步驅動的概念。單相通電時，線圈產生磁場，磁鐵因為磁場的吸引力，指向通電的線圈。雙相通電時，因為兩個線圈都產生磁場，所以合成磁場讓轉子處于中間平衡位置。

（3）微步驅動（Microstepping）

因為電流大小不同，將會導致線圈產生的磁場強度不同，從而導致轉子的平衡位置發生變化，這就是微步驅動的原理。

微步驅動原理：A線圈最開始有最大電流，而B線圈此時電流為零，定子指向A線圈。A線圈慢慢減小電流， B線圈慢慢增加電流，因為磁場平衡位置的變化，定子慢步向B線圈轉動。宏觀來看，A線圈中電流變化接近Cos曲線，B線圈電流變化接近Sin曲線，直到A線圈電流減為零，而B線圈電流達到最大值，定子指向B線圈。

微步驅動電流示意圖：電流每一步的變化的大小，決定了微步運動的大小，上圖是1/4，1/8，1/16微步電流變化示意圖（來自Faulhaber）

微步驅動電流示意圖(來源TI)

微步運動舉例：在圖1中，A線圈通滿電流，圖2中A線圈通最大電流的0.92倍，而B線圈通最大電流的0.38倍，實現22.5°旋轉。同理，圖3中，A和B線圈同時通最大電流的0.71倍，可以實現45°旋轉。

比如，一個200步的步進電機，如果用滿電流驅動，那么它的步距是1.8°，而如果用一半的電流驅動，那么它的步距將會是0.9°。

當然還可以繼續細分，一般地，步進電機一個步距可以細分256步。

步數越多，可以獲得越平滑的運動，噪聲也越小，不容易失步（丟步），但是代價就是扭矩大大減小。

所謂失步，就是電機沒有按照命令走相應的步數，關于失步，后一小結中，我們專門來了解。

比如，當把一步分成16步時，扭矩僅為保持扭矩的10%左右。

微步驅動保持扭矩和步數的關系（來自Faulhaber）

設計時需要留夠余量，比如一般會考慮負載的加減速，運動線的拖拽力，還有步進電機本身的制動扭矩（Detent Torque，由于定子和轉子之間的磁力，產生的扭矩，一般是保持扭矩的5%－20%），摩擦扭矩等。

當微步扭矩超過負載扭矩和摩擦扭矩及制動扭矩之和時，連續的微步才會實現。

有時制動扭矩起正作用，比如當電動機停止時，制動轉矩可能是有益的，因為它會抵消運動中的轉子的動量，因此更高的制動轉矩，將有助于電動機更快地停止。

也就是說，在微步模式下，電機不一定會動，這就會打亂全局精度。

所以，雖然微步可以實現更高的分辨率，但是并不一定能帶來更好的精度。

你可能要問了，既然不一定能提高精度，那么為什么還要有微步驅動模式呢？

其實，微步驅動的主要作用在于減小機械噪聲，減小共振，減小機械傳動結構的磨損，實現更平滑的運動。

有研究表明，只有當載荷非常輕，微細步的扭矩足以驅動負載時，才可以提高精度。

實際上，把每整步細分成無限微步，就是兩相永磁交流電機的運行原理，這個今天就不說了，日后我再開一篇日記來寫吧。

現在，一些生產廠家，生產微步電機的努力方向，就是以犧牲保持扭矩為代價，減小制動扭矩，使得扭矩和位置關系更接近Sin曲線，而扭矩電流曲線更趨向線性。

我感覺這里啰嗦得夠多了。

最后，關于滿步，半步，微步驅動，這里有一張小結圖。

看圖，一下就明白了，還猶豫什么，我保存了。

滿步，半步，微步驅動示意圖

關于滿步，半步和微步驅動，我還準備了幾個視頻，記錄一下，隨時可以找出來看看。

步進電機單相通電滿步控制

步進電機雙相通電滿步控制

步進電機單相雙相交替通電半步控制

3.步進電機的速度扭矩曲線圖

步進電機理論的扭矩曲線，如下圖。

保持轉矩（Holding torque）：

這是當電機靜止且施加額定電流到繞組時，電動機將產生的轉矩。

拔出轉矩曲線（Pull-Out Curve）：

該曲線表示步進電動機在任何給定速度下，可以提供給負載的最大轉矩。

超過該曲線所需的任何轉矩或速度，將導致電機失步，所以電機必須工作在此曲線下方。

實際上，通常所說的步進電機的扭矩速度曲線，指的就是這條曲線。

扭矩速度曲線是怎么來的呢？

首先將步進電機空載旋轉至某一速度，然后通過制動器，緩慢將扭矩逐漸施加到輸出軸上，并使用扭矩傳感器測量扭矩，直到電機失去同步（停止）的那一刻，記錄此時施加在電機軸上的轉矩。

如此反復，在每個速度點，重復此過程3次，然后，將三個扭矩值的平均值，用作將顯示在速度-扭矩曲線上的值，在多個速度點重復此過程，即可創建完整的扭矩速度曲線。

吸合轉矩曲線（Pull-In Curve）：

此曲線表示，在施加負載的情況下，電機在沒有任何加速或減速時，能夠啟動或停止的最大扭矩和速度組合。

簡單理解，這是電機在施加負載，而不會失去同步性的情況下，可以瞬時啟動，停止，或者反轉的最大速度。

吸合轉矩曲線，一般存在于老產品目錄中，因為以前電機無法通過低共振區域運行，因此需要引入吸合轉矩，來避免過大的共振。

但是，隨著微步進技術的發展，現在不再需要以預定速度啟動和停止，不必擔心輸入脈沖引起失步。

啟停區域（Start-Stop Region）：

啟停區域表示電機可以瞬間啟動，停止和反向，并且不會失步的工作區域。

回轉區域（Slew Region）：

回轉區域，是拔出轉矩和吸合轉矩曲線之間的區域，也是電機通常運行的范圍。

步進電機不能在此區域瞬間啟動和停止，必須在啟停區域啟動，加速到吸合轉矩曲線以上，或者在回轉區域減速，然后在啟停區域停止，否則將會失步。

現在，電機的產品目錄中，實際的扭矩速度曲線，常常如下圖。

尺寸為85mm的步進電機，在轉速為1000r/min時，其扭矩相當于400W伺服電機的額定扭矩(來源于東方電機)

從圖中可以看出，步進電動機的轉矩特性不平坦，低速/中速范圍內的轉矩曲線趨向于變得很高，而在高速范圍內則變得極低。

對于短距離定位，低速/中速范圍內的高扭矩至關重要，這也是步進電機的優點之一。

相比之下，伺服電機中速至高速范圍內，可以產生平穩的轉矩，適用于長行程操作。

在選擇步進電機時，一般要遵循2個原則。

（1）根據應用的最高轉矩/速度選擇電機，也就是根據最壞情況選擇電機。

（2）扭矩余量至少保持30％以上。當空間允許，而且可變因素較多時，可以選擇更大的余量，比如50%，80%，甚至100%。

4.步進電機失步原因，及常用解決辦法

所謂失步，就是電機沒有按照命令走相應的步數。

通常過大的運行步距，會導致高振蕩，因為過大的步距，需要很大的扭矩，大扭矩又會產生大加速度，進而容易產生過沖和鈴響（振蕩）現象。

過大的步距產生振動（來自Microchip）

脈沖頻率和自然頻率相等時，發生振動。

在上面的示例中，過度的振動導致在90度附近，沒有停穩，然后電機響應下一個脈沖，離開90度附近，到達180度。（來自Microchip）

當輸入的脈沖頻率，和轉子的自然頻率相等時，會發生共振，并且導致丟步。

通常在100-200pps范圍附近，有一個共振區域，在高階脈沖速率區域中，也有一個共振區域。

步進電機的共振現象，來自其基本結構，因此不可能完全消除。

共振和負載條件也有關系，一般可以通過半步或微步模式驅動電機，來減小共振，或者選擇高于共振頻率的驅動頻率來驅動電機，以避開共振。

因為構造原因，如果步進電機在低速丟步，那么會丟多步，例如8，12，16等4的倍數，高速丟步時電機會停止，如果丟步低于4步，那么是電子換向（Commutation）引起的。

失步會丟失精度，在步進電機的應用中，應該避免這種情況的發生。

下面是步進電機在使用過程中，常常遇到的問題，以及解決辦法。

步進電機常見問題及解決辦法（來源于Faulhaber）

5.步進電機的優缺點

最后，總結一下步進電機的優缺點。

深夜敲鍵盤，手都僵了。

懶得打字了，貼一張圖吧。

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