關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的介紹

許多步進(jìn)電機(jī)與齒輪結(jié)構(gòu)或機(jī)制結(jié)合使用，從而將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換成線性運(yùn)動(dòng)，如打印機(jī)中所需要的移動(dòng)打印頭或紙。原則上，由于步進(jìn)電機(jī)的角度由激勵(lì)線圈確定，所以轉(zhuǎn)子的位置總是已知的，因此該系統(tǒng)可以“開(kāi)環(huán)”操作而不需要反饋傳感器。實(shí)際情況是，存在傳動(dòng)系統(tǒng)或負(fù)載的超載情況，還有其它一些問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在受到驅(qū)動(dòng)時(shí)超出原有步伐，所以很多步進(jìn)應(yīng)用使用傳感器和閉環(huán)模式來(lái)報(bào)告實(shí)際轉(zhuǎn)子的位置。也可以使用一個(gè)“復(fù)位”模式，移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載，如一個(gè)打印頭，回到已知?dú)w屬位置，然后復(fù)位步進(jìn)電機(jī)的零位。

步進(jìn)電機(jī)中有兩個(gè)電氣配置被廣泛應(yīng)用于線圈（極）的繞線模式;并且每個(gè)都有相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最常用的方法被稱為雙相設(shè)計(jì)，即使用兩種類型的繞組：?jiǎn)螛O（也稱為單線）和雙極（雙線），（圖4）。這兩種方法提供了驅(qū)動(dòng)需求、電機(jī)尺寸、重量等因素的權(quán)衡。

圖4：步進(jìn)馬達(dá)的磁極可以纏繞為：（a）一個(gè)中心抽頭的單極繞組，通過(guò)關(guān)閉一個(gè)繞組而另一個(gè)打開(kāi)可以逆轉(zhuǎn)該磁場(chǎng);或（b）雙極繞組，這需要反轉(zhuǎn)電流流向來(lái)逆轉(zhuǎn)該磁場(chǎng)。 （來(lái)源：安森美半導(dǎo)體）。

在單極步進(jìn)電機(jī)中，每相存在一個(gè)單一的中心抽頭繞組，通過(guò)繞組的一部分接通來(lái)改變磁場(chǎng)的方向。磁極在逆轉(zhuǎn)時(shí)可以不用改變電流流向，所以，每個(gè)繞組的通信電路可以非常簡(jiǎn)單，僅需使用單個(gè)低成本晶體管即可（圖5）。一個(gè)典型的雙相電機(jī)每相3根引線，共計(jì)6根引線;這兩相的公共端通常相連，所以，電機(jī)僅有5根引線。

圖5：?jiǎn)螛O繞組配置具有簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，為每個(gè)繞組使用一個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)。晶體管不需要“浮動(dòng)”，但可以使用一個(gè)單端供電并共享共地線。 （整流二極管并未顯示。來(lái)源：AIRPAX步進(jìn)電機(jī)手冊(cè)，1989）

與此相反，雙極馬達(dá)每相使用單個(gè)繞組，因此翻轉(zhuǎn)磁極時(shí)必須改變繞組中電流流向。其結(jié)果是，驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜，并且通常通過(guò)H橋來(lái)實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)的每相有兩根引線并且無(wú)共線，對(duì)于多相電機(jī)總共需要6至8根引線，實(shí)際數(shù)量取決于具體配置。

在單極配置下，因?yàn)樵谌魏螘r(shí)刻只有一半的繞組在使用，其銅的成本和功率重量比和功率大小比都差于雙極繞組。另一方面，雙極設(shè)置中電驅(qū)動(dòng)配套比較復(fù)雜。然而，現(xiàn)代步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器IC很輕松的取代了驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使繞組的這方面考慮和步進(jìn)電機(jī)選擇幾乎不再成為一個(gè)問(wèn)題。

步進(jìn)電機(jī)屬性

相比于其它電機(jī)設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)具有一些獨(dú)特的特性。其相對(duì)優(yōu)勢(shì)包括：

?它們可以提供精確定位和重復(fù)性運(yùn)動(dòng)，一個(gè)精心設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)將具有介于3％和5％的步進(jìn)位置精度;同樣重要的是，該誤差不會(huì)從當(dāng)前步累積到下一步。

?它們可以在低轉(zhuǎn)速甚至零轉(zhuǎn)速下提供足夠的扭矩，并且非常適合于快速啟動(dòng)/停止/反向等情況。

?它們有可靠的機(jī)械，因?yàn)闆](méi)有換向器和電刷磨損;軸承是唯一會(huì)受到磨損的部分。

?它們?cè)谠S多應(yīng)用中可以用于開(kāi)環(huán)電機(jī)，節(jié)省了反饋傳感器的成本。

?不需要高分辨率的應(yīng)用可以使用具備較少極數(shù)的低成本版本。

?它們很容易被處理器或?qū)Ｓ?a target="_blank">控制器的數(shù)字信號(hào)來(lái)控制。

然而，它們并非每種應(yīng)用的最佳選擇。也包括一些缺點(diǎn)：

?它們不是非常適合于高轉(zhuǎn)速或連續(xù)運(yùn)動(dòng)，也不適合用于高功率電機(jī)（高于1/100至1/20馬力，或約10至50瓦）。

?在功率使用方面它們不如BLDC電機(jī)高效。

?由于電氣或機(jī)械問(wèn)題它們可能失去同步或跳過(guò)某些步進(jìn)，并可能需要一個(gè)反饋傳感器，以及停頓或者停止條件的電氣檢測(cè)。

?使用過(guò)程中，它們往往會(huì)顫抖和振動(dòng)，表現(xiàn)為一種齒槽行為。 （有辦法來(lái)管理這一點(diǎn)，將會(huì)在下面討論）。

?在一定的步進(jìn)速率時(shí)，步進(jìn)電機(jī)會(huì)表現(xiàn)出機(jī)械共振，共振的大小是轉(zhuǎn)速（rpm）、傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)負(fù)載的函數(shù)。共振導(dǎo)致扭矩下降或損失。

微步進(jìn)：增強(qiáng)型步進(jìn)技術(shù)

微步進(jìn)有兩個(gè)好處。首先，電機(jī)操作變得更平滑，并且齒槽和共振的許多相關(guān)問(wèn)題也可避免。其次，它能夠?qū)⑥D(zhuǎn)子處于磁極之間的位置，從而增加了有效位置分辨率（雖然可用扭矩有所降低，通常介于10％和30％）。微步進(jìn)是一個(gè)很容易理解的技術(shù)并且許多步進(jìn)控制器可以實(shí)現(xiàn)其復(fù)雜的細(xì)節(jié)，依照管理功能的方向發(fā)展。因此，它是提高步進(jìn)電機(jī)性能的零成本或低成本選擇。

前面的討論假定在高轉(zhuǎn)換率下電磁極被快速打開(kāi)或關(guān)閉。一種改進(jìn)的方法是使用半步進(jìn)，其中磁極被半接通和半關(guān)閉，從而倍增了表觀步進(jìn)數(shù)。更先進(jìn)的方法是微步進(jìn)，它使用一個(gè)斜坡或正弦形的開(kāi)/關(guān)波形來(lái)開(kāi)關(guān)電源（圖6）。其結(jié)果是，一些磁極在通電中而其它則被去電中，兩者之間存在交叉或重疊。

圖6：在微步進(jìn)中，電流驅(qū)動(dòng)是由一系列具有正弦狀的小步驟組成。其結(jié)果是轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)更加平滑了，也具備了指向磁極之間的能力，從而取得比僅級(jí)數(shù)允許下更大的有效角分辨率（來(lái)源：德州儀器）