步进电机

步进电机，也称为步进电机或步进电机，是一种无刷直流电动机，它将一个完整的旋转分成多个相等的步数。只要电机在扭矩和速度 方面根据应用正确调整尺寸，就可以命令电机的位置移动并保持在这些步骤之一，而无需任何用于反馈的位置传感器（开环控制器）。开关磁阻电机是极数减少的非常大的步进电机，通常是闭环换向的。

打开简化步进电机的动画，吸引齿轮形铁转子最近的齿。当齿与电磁铁 1 对齐时，它们将略微偏离右侧电磁铁 (2)。

框架 2：

顶部电磁铁 (1) 关闭，右侧电磁铁 (2) 通电，将齿与其对齐。在此示例中，这导致旋转 3.6°。

框架 3：

底部电磁铁（3）通电；又发生 3.6° 旋转。

框架 4：

左侧电磁铁 (4) 通电，再次旋转 3.6°。当顶部电磁铁（1）再次启用时，转子将旋转一个齿位；因为有 25 个齿，在这个例子中需要 100 步才能完成一个完整的旋转。

步进电机

机制
当直流电压施加到其端子时，有刷直流电机连续旋转。步进电机以其将一系列输入脉冲（通常是方波）转换为轴旋转位置的精确定义增量的特性而闻名。每个脉冲使轴旋转一个固定的角度。
步进电机实际上具有多个“带齿”电磁铁，这些电磁铁作为定子围绕中心转子（齿轮形铁片）排列。电磁铁由外部驱动电路或微控制器供电。为了使电机轴转动，首先，给一个电磁铁通电，它通过磁力吸引齿轮的齿。当齿轮的齿与第一个电磁铁对齐时，它们会稍微偏离下一个电磁铁。
这意味着当下一个电磁铁打开而第一个电磁铁关闭时，齿轮会稍微旋转以与下一个电磁铁对齐。从那里重复该过程。每个部分旋转称为一个“步”，有一个整数进行完整旋转的步骤。这样，电机可以转动一个精确的角度。

双极混合式步进电机

电磁铁的圆形排列被分成几组，每组称为一个相，每组的电磁铁数量相等。组数由步进电机的设计者选择。每组的电磁铁与其他组的电磁铁交错排列，形成均匀的排列图案。例如，如果步进电机有两组标识为 A 或 B，总共有十个电磁铁，那么分组模式将是 ABABABABAB。
同一组内的电磁铁都一起通电。因此，具有更多相位的步进电机通常具有更多的电线（或引线）来控制电机。
步进电机主要分为三种类型：

1/永磁步进

2/可变磁阻步进器

3/混合同步步进

28BYJ-48 配备ULN2003驱动器，是爱好者中最受欢迎的步进电机之一。

永磁电机在转子中使用永磁体(PM)，并通过转子 PM 和定子电磁铁之间的吸引力或排斥力运行。脉冲以离散的步长、CW 或 CCW 移动转子。如果在最后一步保持动力，则在该轴位置保持强大的棘爪。该棘爪具有可预测的弹簧刚度和指定的扭矩限制；如果超出限制，就会发生滑点。如果电流被移除，则仍然保留较小的棘爪，因此保持轴位置不受弹簧或其他扭矩影响。然后可以恢复步进，同时可靠地与控制电子设备同步。
可变磁阻(VR) 电机有一个普通的铁转子，并根据最小磁阻和最小间隙的原理运行，因此转子点被吸引到定子磁极。而混合同步是永磁体和可变磁阻类型的组合，可在小尺寸内最大限度地提高功率。VR 电机有通电制动，但没有断电制动。
两相步进电机
两相步进电机中的电磁线圈有两种基本绕组布置：双极和单极。

一种用于平板扫描仪的带有齿轮减速机构的双极步进电机。

单极电机
单极步进电机有一个绕组，每相有一个中心抽头。对于每个磁场方向，绕组的每个部分都接通。由于在这种布置中，可以在不切换公共线的极性的情况下反转磁极，因此换向电路可以简单地为每个半绕组的单个开关晶体管。通常，给定一个相位，每个绕组的中心抽头是公共的：每相三个引线，典型的两相电机有六个引线。通常，这两个相位公共端在内部连接，因此电机只有五个引线。
微控制器或步进电机控制器可用于激活驱动晶体管以正确的顺序，这种易于操作的特性使单极电机受到爱好者的欢迎；它们可能是获得精确角运动的最便宜的方法。对于实验者来说，可以通过将 PM 电机中的端子线接触在一起来识别绕组。如果连接线圈的端子，则轴变得更难转动。区分中心抽头（公共线）和线圈端线的一种方法是测量电阻。
普通线和线圈端线之间的电阻总是线圈端线之间电阻的一半。这是因为两端之间有两倍的线圈长度，而从中心（公共线）到端部只有一半。确定步进电机是否工作的一种快速方法是每两对短路一次并尝试转动轴。每当感觉到高于正常的阻力时，
双极电机
双极电机每相有一对单绕组连接。为了使磁极反转，绕组中的电流需要反转，因此驱动电路必须更复杂，通常采用H 桥布置（但是有几个现成的驱动芯片可用于使其成为简单的事情）。每个阶段有两个引线，没有一个是常见的。
两线圈双极步进电机的典型驱动模式为：A+ B+ A- B-。即用正电流驱动线圈A，然后从线圈A中取出电流；然后用正电流驱动线圈B，然后从线圈B中取出电流；然后用负电流驱动线圈A（通过切换电线来翻转极性，例如用H桥），然后从线圈A中移除电流；然后用负电流驱动线圈B（再次翻转与线圈A相同的极性）；循环完成并重新开始。
在某些驱动器拓扑中观察到使用 H 桥的静摩擦效应。
以高于电机可以响应的频率抖动步进信号将减少这种“静摩擦”效应。
一种用于平板扫描仪的带有齿轮减速机构的双极步进电机。
由于绕组得到更好的利用，它们比相同重量的单极电机更强大。这是由于绕组占用的物理空间。单极电机在同一空间内有两倍数量的电线，但在任何时间点只使用一半，因此效率为50%（或可用扭矩输出的大约70%）。虽然双极步进电机的驱动更复杂，但驱动芯片的丰富意味着实现这一目标的难度要小得多。
8引线步进电机类似于单极步进电机，但引线未连接到电机内部的公共端。这种电机可以采用多种配置进行接线：

1、单极。

2、双极串联绕组。这提供了更高的电感，但每个绕组的电流更低。

3、双极并联绕组。这需要更高的电流，但随着绕组电感的降低，性能会更好。

4、双极，每相一个绕组。这种方法将仅在可用绕组的一半上运行电机，这将减少可用的低速转矩但需要更少的电流.

高相数步进电机
具有多相的多相步进电机往往具有低得多的振动水平。虽然它们更昂贵，但它们确实具有更高的功率密度，并且通过适当的驱动电子设备通常更适合应用。
驱动电路
步进电机的性能很大程度上取决于驱动电路。如果可以更快地反转定子磁极，扭矩曲线可以扩展到更高的速度，限制因素是绕组电感的组合。为了克服电感并快速切换绕组，必须提高驱动电压。这进一步导致有必要限制这些高电压否则可能引起的电流。
另一个限制，通常与电感的影响相当，是电机的反电动势。当电机的转子转动时，会产生与速度（步速）成正比的正弦电压。从可用于引起电流变化的电压波形中减去该交流电压。
L/R 驱动电路
L/R 驱动器电路也称为恒压驱动器，因为向每个绕组施加恒定的正电压或负电压以设置步进位置。但是，将扭矩施加到步进电机轴的是绕组电流，而不是电压。每个绕组中的电流 I 通过绕组电感 L 和绕组电阻 R 与施加的电压 V 相关。电阻 R 根据欧姆定律I=V/R 确定最大电流。电感 L 根据电感的公式确定绕组中电流的最大变化率dI/dt = V/L。电压脉冲产生的电流是一个快速增加的电流，它是电感的函数。这达到了 V/R 值并在脉冲的剩余部分保持不变。
因此，当由恒压驱动器控制时，步进电机的最大速度受到其电感的限制，因为在某个速度下，电压 U的变化速度将超过电流 I 可以跟上的速度。简单来说，电流的变化率为 L / R（例如，电阻为2欧姆的10mH 电感将需要5 ms 才能达到最大扭矩的大约2/3 或大约24ms 才能达到最大扭矩的99%）。为了在高速下获得高扭矩，需要具有低电阻和低电感的大驱动电压。
使用 L/R 驱动器，只需在每个绕组上串联一个外部电阻器，就可以控制具有更高电压驱动器的低压电阻电机。这将浪费电阻器中的功率，并产生热量。因此，它被认为是一种性能低下的选择，尽管简单且便宜。
现代电压模式驱动器通过将正弦电压波形近似于电机相位来克服其中的一些限制。电压波形的幅度设置为随步进速率增加。如果调整得当，这可以补偿电感和反电动势的影响，从而实现相对于电流模式驱动器的良好性能，但代价是电流模式驱动器更简单的设计工作（调整程序）。
斩波器驱动电路
斩波器驱动电路被称为受控电流驱动器，因为它们在每个绕组中产生受控电流，而不是施加恒定电压。斩波器驱动电路最常用于双绕组双极电机，两个绕组独立驱动以提供特定的电机转矩 CW 或 CCW。在每个绕组上，“电源”电压作为方波电压施加到绕组上；例如8kHz .. 绕组电感使电流平滑，达到根据方波占空比的水平. 大多数情况下，双极电源（+ 和- ）电压相对于绕组回路提供给控制器。因此50%的占空比导致零电流。0% 导致一个方向上的全 V/R 电流。100% 导致相反方向的全电流。
该电流水平由控制器通过测量与绕组串联的小检测电阻两端的电压来监控。这需要额外的电子设备来感应绕组电流并控制开关，但它允许步进电机在比 L/R 驱动器更高的速度下以更高的扭矩驱动。它还允许控制器输出预定的电流水平而不是固定的。用于此目的的集成电子设备已广泛使用。
相电流波形
步进电机是多相交流同步电机（参见下面的理论），理想情况下由正弦电流驱动。整步波形是正弦曲线的粗略近似，这也是电机出现如此大振动的原因。已经开发了各种驱动技术来更好地近似正弦驱动波形：这些是半步进和微步进。
全步驱动（两相开启）
这是全步驱动电机的常用方法。两相始终开启，因此电机将提供其最大额定扭矩。一旦一个阶段关闭，另一个阶段就会打开。波驱动和单相全步是同一个，步数相同，但扭矩不同。
半步
半步进时，驱动器在两相开启和单相开启之间交替。这增加了角分辨率。电机在全步位置（仅单相开启）的扭矩也较小（约70%）。这可以通过增加有源绕组中的电流以进行补偿来减轻。半步进的优点是驱动电子设备不需要改变来支持它。在上图动画中，如果我们将其改为半步，则旋转1个齿位需要8步。因此，每次完整旋转将有25×8=200步，每步将是 360/200=1.8°。它每步的角度是整步的一半。
微步
通常所说的微步通常是正弦-余弦微步，其中绕组电流近似于正弦交流波形。实现正弦余弦电流的常用方法是使用斩波驱动电路。正余弦微步进是最常见的形式，但也可以使用其他波形。无论使用何种波形，随着微步变小，电机运行变得更加平稳，从而大大降低了电机可能连接的任何部件以及电机本身的共振。分辨率将受到电机和泊位设备之间的机械静摩擦、间隙和其他误差源的限制。齿轮减速器可用于提高定位分辨率。
步长减小是步进电机的一个重要特性，也是它们用于定位的根本原因。
示例：许多现代混合式步进电机的额定值使得每整步的行程（例如每整步1.8度或每转200整步）将在每隔一个整步的行程的 3% 或5% 以内，只要因为电机在其规定的运行范围内运行。几家制造商表明，随着步长从完全步进减小到1/10步进，他们的电机可以轻松地保持 3% 或5%的步距相等。
然后，随着微步除数的增加，步长重复性下降。在大幅度减小步长时，可以在任何运动发生之前发出许多微步命令，然后运动可以“跳跃”到新位置。一些步进控制器 IC 使用增加的电流来最大限度地减少此类错过的步骤，尤其是当一个相位中的峰值电流脉冲非常短暂时。
理论
步进电机可以看作是增加了极数（转子和定子）的同步交流电机，注意它们没有共同点。此外，转子和定子上具有许多齿的软磁材料可以廉价地增加磁极数（磁阻电机）。现代步进器采用混合设计，具有永磁体和软铁芯。
为了实现全额定转矩，步进电机中的线圈必须在每一步中达到其全额定电流。由移动转子产生的绕组电感和反电动势往往会抵抗驱动电流的变化，因此随着电机的加速，在全电流下花费的时间越来越少，从而降低了电机扭矩。随着速度的进一步增加，电流将达不到额定值，最终电机将停止产生扭矩。
拉入扭矩
这是步进电机在没有加速状态下运行时产生的扭矩的量度。在低速时，步进电机可以与施加的步进频率同步，并且这种引入扭矩必须克服摩擦和惯性。确保电机上的负载是摩擦负载而不是惯性负载非常重要，因为摩擦会减少任何不需要的振荡。
引入曲线定义了一个称为开始/停止区域的区域。在该区域内，电机可以在施加负载的情况下立即启动/停止，而不会失去同步。
拉出扭矩
步进电机拉出扭矩是通过将电机加速到所需速度然后增加扭矩负载直到电机停转或失步来测量的。该测量是在很宽的速度范围内进行的，结果用于生成步进电机的动态性能曲线。如下文所述，该曲线受驱动电压、驱动电流和电流切换技术的影响。设计者可以在额定扭矩和应用所需的估计满载扭矩之间加入一个安全系数。
额定值和规格
步进电机的铭牌通常只给出绕组电流，偶尔还会给出电压和绕组电阻。额定电压将在直流下产生额定绕组电流：但这通常是一个毫无意义的额定值，因为所有现代驱动器都是限流的，并且驱动器电压大大超过电机额定电压。
制造商的数据表通常会显示电感。反电动势同样相关，但很少列出（用示波器直接测量）。这些数字有助于更深入的电子设计，当偏离标准电源电压时，调整第三方驱动器电子设备，或者在选择具有相似尺寸、电压和扭矩规格的电机型号时获得洞察力。
步进电机的低速转矩将直接随电流变化。扭矩以更快的速度下降的速度取决于绕组电感和它所连接的驱动电路，尤其是驱动电压。
步进器的尺寸应根据公布的扭矩曲线来确定，该曲线由制造商在特定驱动电压或使用他们自己的驱动电路时指定。扭矩曲线的下降表明可能存在共振，设计人员应了解其对应用的影响。
适应恶劣环境的步进电机通常被称为IP65等级。
NEMA 步进电机
美国国家电气制造商协会 (NEMA)在 NEMA 标准 (NEMA ICS16-2001) 中对步进电机的各种尺寸、标记和其他方面进行了标准化。 NEMA 步进电机按面板尺寸标注，NEMA17是一款步进电机，面板尺寸为1.7×1.7英寸（43 毫米 ×43 毫米），尺寸以英寸为单位。该标准还列出了以公制单位给出面板尺寸的电机。
这些电机通常用 NEMA DD 表示，其中 DD 是面板的直径（以英寸为单位）乘以10（例如，NEMA17的直径为1.7英寸）。还有更多的说明符来描述步进电机，这些细节可以在 ICS16-2001 标准中找到。
应用
计算机控制的步进电机是一种运动控制 定位系统。它们通常作为开环系统的一部分进行数字控制，用于保持或定位应用。
在激光和光学领域，它们经常用于精密定位设备，例如线性致动器、线性平台、旋转平台、测角仪和镜架。其他用途包括包装机械和流体控制系统阀门先导级的定位。
在商业上，步进电机用于软盘驱动器、平板扫描仪、计算机打印机、绘图仪、老虎机、图像扫描仪、光盘驱动器、智能照明、相机镜头、CNC 机器和3D 打印机。