步进电机基本原理及驱动方式详解

步进电机基本原理及驱动方式详解

步进电机相关概念

基本原理

类型和结构

转子结构

定子结构

励磁方式

ATD9800 驱动使用实例

参考文献

步进电机相关概念

步进电机是一种常用于控制和定位应用的电动机，其独特的工作方式使其在许多领域中都具有广泛的应用。步进电机以其 精确的位置控制 而闻名，无论是在3D打印机、机器人、数控机床还是打印设备中，步进电机都扮演着重要的角色。

在本文中，我们将深入研究步进电机的原理，从基本的构造到工作方式，逐步揭示其背后的技术奥秘。无论您是电机领域的专业人士，还是对此感兴趣的初学者，本文都将为您提供全面而深入的了解。现在让我们开始探索步进电机的工作原理，并揭示它在现代工程中的重要性。

一种3D打印机中使用的步进电机

基本原理

与所有电动机一样，步进电动机也有一个 静止部分（定子） 和一个 运动部分（转子） 。定子上有齿，上面有线圈，而转子是永磁体或可变磁阻铁芯。下图显示了电机截面图，其中转子是可变磁阻铁芯。

步进电机横截面

步进电机的基本工作原理如下： 通过给定子的一个或多个相通电，线圈中流动的电流产生磁场，转子与该磁场对齐实现电能到动能的转化 。 通过依次提供不同的相位，转子可以旋转特定的量以到达所需的最终位置 。下图展示了工作原理：

线圈 A 通电，转子与其产生的磁场对齐。

线圈 B 通电，转子顺时针旋转60° 以与新磁场对齐。

线圈 C 通电，转子再顺时针旋转60° 以与新磁场对齐。

步进电机原理（图中定子齿的颜色表示定子绕组产生的磁场方向）

上面的步骤可以更形象的通过一个动图来显示，随着定子不同相电流变化，转子按照固定间隔角度进行转动：

类型和结构

转子结构

对于步进电机，基本上有三种类型的转子：

永磁转子 ： 转子是 一块永磁体 ，与定子电路产生的磁场对齐 。该解决方案保证了良好的扭矩以及制动扭矩。这意味着无论线圈是否通电，电机都会抵抗（即使不是非常强烈）位置变化。该解决方案的缺点是与其他类型相比，它的速度和分辨率较低。

永磁式步进电机

可变磁阻转子 ： 转子由 非磁化铁芯 制成，具有与定子偏移的齿 ，当我们以特定顺序激活绕组时，转子分别移动，从而使定子和转子齿之间的间隙最小。使用此解决方案可以更轻松地达到更高的速度和分辨率，但它产生的扭矩通常较低并且没有制动力矩。

可变磁阻步进电机

混合转子 ： 这种转子是前两种步进电机的组合。它具有 永磁体带齿转子和带齿定子 。 转子两部分极性相反，它们的齿如图所示偏移 。这种配置允许电机同时具有永磁体和可变磁阻版本的优点，特别是高分辨率、速度和扭矩。这种更高的性能需要更复杂的结构，因此成本更高。 下图显示了该电机结构的简化示例，我们可以看到，现在转子的齿与 A 极的齿对齐，而与 B 极的齿不对齐。这意味着在下一步中，当我们关闭 A 极并激活 B 极时，转子将逆时针转动，其齿与 B 极的齿对齐。

混合转子结构

定子结构

定子是电机的一部分，负责产生转子要对齐的磁场。定子电路的主要特性包括其相数和极对数，以及导线配置。 相数是独立线圈的个数 ， 极对数表示各相主齿对的占用情况 。两相步进电机是最常用的，而三相和五相电机不太常见。

二相定子绕组（左）、三相定子绕组（右）

两相单极对定子（左），两相双极对定子（右）

励磁方式

步进电机的励磁方式分为以下几种：

一相励磁 ：这种方式是指 在每一瞬间，步进电机只有一个线圈导通 ，消耗电力小，但在切换瞬间没有任何的电磁作用转子上，容易造成振动，也容易因为惯性而失步。这种方式的步距角是电机固有的结构决定的，例如二相四拍电机的步距角是1.8度。

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