步进电机的类型及工作原理

一、什么是步进电机？

步进电机，又称为脉冲电动机，是一种特殊的电动机，其工作原理是将电脉冲信号转换为相应的角位移或线位移。这种电动机的显著特点是每当输入一个电脉冲信号时，它就会按照预定的角度或距离进行一步动作，因此得名“步进电机”。

步进电机的基本构造包括一个定子和一个转子，定子通常包含多个电磁线圈，而转子则由一系列磁极组成。通过依次激励不同的定子线圈，可以精确地控制转子的角位移。同时，步进电机的输出角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速则与脉冲频率成正比，这使得步进电机具有极高的位置控制精度和可重复性。

步进电机在许多领域都有广泛的应用，包括数控机床、医疗设备、家电、汽车、工业自动化、自动化设备、机器人、3D打印机等。在数控机床制造领域，步进电机可以直接将数字脉冲信号转化为角位移，是数控机床最为理想的执行元件。在医疗设备中，步进电机可以实现精准定位和快速响应，提高设备的性能和效果。

二、步进电机的类型

步进电机根据结构主要有以下三种类型：

可变磁阻步进电机： 它们具有铁芯转子，该转子被定子磁极吸引，并通过定子和转子之间的最小磁阻提供运动。

永磁步进电机： 它们具有永磁转子，根据施加的脉冲被排斥或吸引向定子。

混合式同步步进电机： 它们是变磁阻和永磁步进电机的组合。

除此之外，我们还可以根据定子绕组的类型将步进电机分为单极和双极。

双极步进电机： 此类电机的定子线圈没有共用电线。这类步进电机的驱动方式不同且复杂，如果没有微控制器，驱动电路也很难设计。

单极步进电机： 在这种类型的步进电机中，我们可以将两个相绕组的中心抽头用于公共接地或公共电源，如下所示。这使得驱动电机变得很容易，单极步进电机也有很多类型

三、步进电机的工作原理

步进电机的工作方式与直流电刷电机不同，直流电刷电机在端子上施加电压时旋转。另一方面，步进电机实际上具有围绕中心齿轮形铁片排列的多个带齿电磁体。电磁体由外部控制电路（例如微控制器）供电。

为了使电机轴转动，首先给一个电磁体通电，使齿轮的齿被磁力吸引到电磁体的齿上。当齿轮的齿与第一个电磁体对齐时，它们与下一个电磁体稍微偏移。因此，当下一个电磁体打开并且第一个电磁体关闭时，齿轮会稍微旋转以与下一个电磁体对齐，并从那里重复该过程。每一次轻微的旋转称为一个步骤，整数个步骤构成一次完整的旋转。

这样，电机就可以精确转动。步进电机不是连续旋转，而是步进旋转。 定子上固定有4个相互成90° 角的线圈。步进电机连接由线圈的互连方式决定。在步进电机中，线圈没有连接。电机具有 90° 旋转步长，线圈按循环顺序通电，确定轴旋转方向。

通过操作开关来显示该电机的工作情况。线圈以 1 秒的间隔串联激活。 每次激活下一个线圈时，轴都会旋转 90° 。其低速扭矩将直接随电流变化。

四、步进电机控制器电路图

简单的 555定时器步进电机控制器电路采用少量易于使用的组件进行设计。该电路使步进电机连续驱动，没有任何中断或步进停止。通过使用该电路，我们可以驱动具有不同额定电压的单极步进电机。请记住，该电路仅使用 9V 电源，并且能够驱动 12V 以下的步进电机。如果要驱动高于 12V 的步进电机，请为步进电机和功率开关晶体管添加外部电源。

该电路有两部分，一部分用于产生方波脉冲振荡，另一部分用于向步进电机提供步进脉冲。

我们知道步进电机也称为步进电机，大多数是无刷直流电机，将其整个旋转分成多个相等的步数，该电机可用于不同的应用，如3D打印机、数控机床、自动门等..,

这种步进电机根据定子绕组基本上分为两类，

双极步进电机

双极步进电机每相只有一个绕组，只有4根引线连接两组内部电磁铁线圈，可以通过改变通过电机线圈的电流方向来实现正向和反向步进，这可能比单极更复杂，但H-电桥和步进电机驱动电路使其变得非常简单。

单极步进电机

单极配有 5、6 和 8 根引线，并通过每相输入的中心抽头运行一个绕组。此图显示了不同类型的单极步进电机及其引线配置，请参阅步进电机的数据表以了解更多信息。

电路原理图

这里，定时器IC 555用作非稳态多谐振荡器，并基于定时电阻器和定时电容器振荡方波脉冲。

第二级是十进制计数器IC CD4017级，该集成电路对来自定时器IC的方波脉冲进行计数，并通过Q0、Q1、Q2和Q3输出引脚提供步进脉冲输出，每个脉冲通过开关晶体管BC547馈送到步进电机线圈。

当脉冲和电源施加到步进电机时，其转子开始旋转，转子的速度可以通过 VR1 电阻来改变。