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在工业自动化中，步进电机的应用非常的广泛。例如工业机器人、3D打印机、计算机硬盘等都有步进电机的身影。步进电机的特殊性在于它可以控制转子的角度位置，而不需要传感器来控制位置，因此是一种开环控制系统。与直流无刷电机相似，他们都是通过控制线圈的通电时序，使磁铁之间产生相互作用的力来旋转。
根据步进电机的构造，可以分为永磁式、反应式和混合式3种。目前最常用的是混合式步进电机，因为它综合了永磁式和反应式的优点。我们先通过永磁式步进电机来了解一些其结构和控制原理，然后进一步了解反应式和混合式步进电机的结构和控制原理。
为了增大磁感应强度，减少涡轮损失，步进电机的转子和定子框架都是由高磁导率的硅钢片叠成。在定子框架上有4个定子齿，将其绕上两组线圈并通电后，根据电磁感应原理，此时线圈就变成了电磁铁。
根据右手定则，一端会变成N极一端会变成S极，这种极性的变化可以通过改变电源的正负极来实现转换。如果将电源的正负极转换加上一定的规律性，定子部分就行形成一个旋转的磁场，这样转子就会随着旋转的磁场而转动。而转子的转动有一个很重要的参数，那就是：步距角。步距角就是一个脉冲信号转子转过的角度，其计算公式为：360度除以括号转子齿数乘以运行拍数（永磁体齿数可以认为为1）。此步进电机的步距角为90度。
步进电机并不能直接接电源工作，因为步进电机的是通过脉冲信号来控制器工作的，因此步进电机的工作需要驱动器来控制。通过PLC编程控制脉冲的数量和频率以及电机各相绕组的功率顺序，控制步进电机的旋转。步进电机的驱动方式有3种，即满步、半步以及微步驱动。而根据通电相数，满步驱动又分为单相满步驱动和双相满步驱动两种，这个看图片我们就很容易能看懂。
半步驱动就是一次只驱动半个步距，它是通过单双电交替通电实现的。当单相通电时，一个线圈产生磁场，转子指向通电的线圈，而当双相通电时，两个线圈都产生磁场，合成的磁场使转子处于中间位置。大家可以看图片理解一下。
微步驱动其实也不难理解。随着电流的大小变化，线圈磁场的强度也会随之变化，转子的平衡位置也会发生变化，这就是微步驱动的原理。A线圈开始有最大电流，B线圈电流为0，转子指向A线圈。如果A线圈电流慢慢减小，B线圈电流慢慢增大，转子就会慢慢的转向B线圈。宏观来看，A、B线圈的电流变化都接近于三角函数曲线。电流每一步变化的大小，则决定了微步运动的大小。虽然步数越多，运动越平滑，但是扭矩也会相应的减小。
反应式步进电机的转子是由软性材料制作而成的，转子上有多个凸极，这样线圈通电时，才会吸引转子旋转。这类电机结构简单，成本低，但是动态性能差，可靠性不好，因此很少使用。
目前最常用的是混合式步进电机，这类电机综合了以上两种电机的优点。步距角小，力矩大，动态性能好。混合式步进电机的转子比较特殊，它是由两个带齿钢杯装在永磁铁的中心轴上组成的。转子一端N极一端为S极，N及与S极齿牙是错位的。常用的混合式步进电机为1.8度步距角，转子有50齿，而定子只有48齿，分为8个主极。如果将这8个主极分为4对，我们会发现其中1对定子与转子的齿牙是完全对齐的，一对定子与转子的齿牙是错牙的，另外两组的定子与转子的齿牙则是半对齐的。当给定子一个脉冲信号时，定子磁场发生变化，转子就会轻微移动以便与定子齿位对齐，在全驱动情况下，每次移动都是一个凹齿或者凸齿的一半，这个角度就是1.8度。如果是半步驱动的话，这个角度会进一步减小，也就是0.9度。
以上就是步进电机的基本原理，不知道大家看懂了没呢？
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发表于 2022-6-27 13:45:55
