步进电机的工作原理

1 基础知识

步进电机工作时平面抛图如下：

图中每个箭头间隔是步进电机的一个步进角，每输入一个脉冲，电机就会转动一个步进角，不同的电机转动的步进角是不一样的。

对于步进电机，有计算公式：旋转角=步进角*脉冲数。

失步：转矩过大或有高速脉冲，超过了电机允许范围，则不仅电机无法按照一个脉冲一个步进角进行转动。

最大自启动频率：静止的空载步进电机，在没有失步的情况下能够启动的最大输入频率。

最大连续响应频率：已启动的电机，在没有失步的情况下能够连续旋转的最大输入频率。

步进电机的相数：电机内部的线圈组数。

从结构上分类：PM（Permanent Magnet，永磁）式，VR（Variable Reluctance，可变磁阻）式，HB（Hybrid，混合）式 PM。

2 变磁阻式步进电机原理

变磁阻式步进电机是最简单的一种步进电机。

其内部转动结构如下：

有六个定子齿部，三个分离的直流源进行驱动，转动部分为转子。

转子采用钢制薄片堆叠而成（为了防止涡流的产生）。转子只有4个齿，成180°的两个齿是一对，定子有4个齿部，成180°的两个齿是一对，这样子的设计能够使每次只有一对转子齿部对上定子的齿部。

以下看转动过程：

初始位置，A线圈进行通电，线圈产生磁场吸住转子的一对齿部。

A线圈断电，B线圈通电，则转子水平轴的一对齿部将受B线圈的磁场吸引，顺时针转动30°。

同理，当B线圈断电后，C线圈通电，那么转子又会重新绕顺时针转30°。

那么，下一次转动就是C线圈断电，A线圈通电，转子齿部重新与A线圈相合。重复四次后，转子将转动一圈。转子的转动是因为转子由金属做成，在线圈通电后，转子会找到最小磁阻的位置，那就会有一对转子齿部与线圈相吸合。

从上述的描述，转子转一步是30°，那么，说明此电机在此种驱动模式下的步进角是30°。该步进电机通过改变控制方式，也可以将步进角改为15°。

我们可以看到，初始位置A/B线圈通电时，转子状态如下：

若A线圈通电的同时，给B线圈通电，那么，转子会处在A和B线圈通电时位置的中间位置。

那么此刻，转子的转动角度就是15°，此时断开A线圈的通电，保留B线圈通电，那么转子就会转去与B线圈吸合，再转15°。

此时，C线圈通电，则转子会转到B,C线圈中间，转动15°：

那么同理，B线圈断电，保留C线圈，那么转子就又与C线圈吸合，重新转动15°，之后一直通过这种单线圈-双线圈的循环，可将步进电机改为15°的步进角进行驱动，此种驱动方式称为半步进。

3 混合式步进电机

最常见和最常用的步进电机是混合式步进电机，以1.8°每步的步进电机进行介绍。

此电机的转子由一个磁芯和两个帽箍组成，具有南极和北极之分。

此种电机的步进精度取决于转子和定子之间的巧妙分布。1.8°的电机转子齿数有50个，这是确定的，那么如何理解定子的齿数和分布，先假设定子也有50个齿。

事实上，定子齿数是要比转子齿数少的，这里实际有48个。

将这48个齿数分成4组，分别为绿，黄，蓝，红。

绿色组齿部移动到与转子齿部半对齐的位置，黄色组的齿部移动到完全与转子齿部完全错位，蓝色组齿部移动到与转子齿部半对齐的位置，红色组齿部原位不动。简单的说，就是一组完全对齐，一组完全错位，两组半对齐。

以下是在电机上的剖面图，转子正对你的那一面为南极，绿色是A线圈组，称为A相，黄色为B线圈组，称为B相，两个线圈组是相对独立的线圈组。

A相线圈通电时，上下两个线圈在定子上形成N极，吸住转子，此时转子不动，若此时A相断电，B相上电，那么，转子将运动。

转动的角度为1/4个齿，1个齿角度为360°/100=3.6°，则转动脚为1.8°。下一次到A相线圈通电时，继续转动一个步进角1.8°，如此循环，步进电机受控转动。同时，北极的转子齿部排列与南极的刚好错开，这样就能保证两边都受控。