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步进电机基础
作者：Reston Condit
Microchip Technology Inc.爱荷华州道格拉斯·W·琼斯博士
介绍
步进电机在电机控制领域占据着独特的位置。这些电动机通常用于测量和控制应用中。示例应用包括喷墨打印机，CNC机器和容积泵。所有步进电机共有的几个功能使其非常适合这些类型的应用。这些功能如下：
1.无刷–步进电机是无刷的。常规电动机的换向器和电刷是一些最容易发生故障的组件，它们产生的电弧在某些情况下是不希望的或危险的环境。
2.独立于负载–步进电机将在只要负载不超过电动机的扭矩额定值，无论负载如何，都可以设定速度。
3.开环定位–步进电机以量化的增量或步长移动。只要电动机在其扭矩规格范围内运行，就始终知道轴的位置，而无需反馈机构。
4.保持扭矩–步进电机能够保持轴静止。
5.对启动，停止和相反的响应良好。
以下各节讨论最常见的步进电动机类型，驱动这些电动机需要什么电路以及如何使用微控制器控制步进电动机。
步进电机的类型
步进电机有三种基本类型：永磁体，可变磁阻和混合动力。本应用笔记涵盖了所有三种类型。永磁电动机具有磁化的转子，而可变磁阻电动机具有带齿的软铁转子。混合式步进电动机结合了永磁体和可变磁阻技术的各个方面。
定子或步进电机的固定部分可容纳多个绕组。这些绕组的布置是从电气角度区分不同类型步进电机的主要因素。从电气和控制系统的角度来看，可变磁阻电动机与其他类型的电动机相距甚远。永磁电动机和混合电动机均可使用单极绕组，双极绕组或双股绕组进行缠绕。以下各节中分别介绍了这些功能。
可变磁阻电动机
可变磁阻电动机（也称为可变开关磁阻电动机）具有连接到公共端子的三到五个绕组。图1显示了三绕组，每步30度可变磁阻电动机的横截面。该电机的转子有四个齿，定子有六个磁极，每个绕组都缠绕在相对的磁极上。通电时，标记为X的转子齿被绕组1吸引。这种吸引力是由线圈和转子周围产生的磁通路径引起的。转子承受转矩，并使转子与通电线圈成一直线，从而最大程度地减少了磁通路径。当绕组1断开且绕组2通电时，电动机顺时针方向运动。标记为Y的转子齿被绕组2吸引。当Y与绕组2对齐时，将导致顺时针运动30度。通过顺次给定子周围的绕组依次通电和断电，可以实现连续的顺时针运动。以下控制序列将使图1中所示的电动机顺时针旋转12步或旋转一圈。
示例1：
绕组1：1001001001001
绕组2：0100100100100
绕组3：0010010010010
图1展示了最基本的可变磁阻步进电机。实际上，这些电动机通常具有更多的绕组极和齿，以实现较小的步进角。可以通过增加绕组（例如移至4或5个绕组）来增加极数，但是对于较小的步距角，通常的解决方案是使用带齿的极靴抵靠带齿的转子工作。使用这种方法的可变磁阻电动机的步进角接近1度。
图1：可变磁阻步进电机
图2：单极步进电机
单极电机
单极步进电机由两个绕组组成，每个绕组都有一个中心抽头。中心抽头既可以作为两条独立的导线（如图2所示）带到电动机外部，也可以在内部相互连接，然后作为一条导线在电动机的外部带走。结果，单极电动机具有5或6根线。不论导线数量如何，单极电机都以相同的方式驱动。中心抽头线连接到电源，并且线圈的末端交替接地。
像所有永磁和混合电动机一样，单极步进电动机的运行方式与可变磁阻电动机不同。这些电动机不是通过最小化定子极和转子齿之间的磁通路径的长度来运行，而是通过吸引永久磁化转子的北极或南极来工作，在定子流和定子齿之间的电流方向无关紧要。定子极。因此，在这些电动机中，通过定子绕组的电流方向确定哪些转子磁极将被吸引到哪些定子磁极上。单极电动机的电流方向取决于绕组的哪一半被通电。在物理上，两半绕组彼此平行缠绕。因此，一个绕组充当北极或南极，这取决于哪一半被供电。
图2显示了每步30度单极电动机的横截面。电机绕组编号1分布在顶部和底部定子磁极之间，而电机绕组编号2分布在左侧和右侧电机磁极之间。转子是一个具有六个极的永磁体，三个极向北，三个极向南，如图2所示。
永磁式步进电动机和混合式步进电动机之间的区别在于多极转子和多极定子的构造方式。这些差异将在后面讨论。
范例2：
绕组1a：100010001000
绕组1b：001000100010
绕组2a：010001000100
绕组2b：000100010001
注意：每个绕组只有一半的电流在以上顺序中的时间。如上所述，以下顺序将使电动机顺时针旋转12步或一圈。
范例3：
绕组1a：110011001100
绕组1b：001100110011
绕组2a：011001100110
绕组2b：100110011001
与所述的第一顺序不同，在第二顺序中，两个绕组半部同时通电。这使电动机具有更大的扭矩，但也增加了电动机的功率消耗。上面的每个序列都描述了以额定步进大小（在这种情况下为30度）单步步进或步进电机。将这两个序列组合起来可以使电动机半步进。组合的序列显示在示例4中（每转24步）。
示例4：
双极步进电机
绕组1a：11000001110000011100000111
绕组1b：00011100000111000001110000
绕组2a：01110000011100000111000001
绕组2b：00000111000001110000011100
此方法以其额定步长一半的步长移动电动机。重要的是要注意，在此顺序中，电动机产生的转矩不是恒定的，因为交替的步骤分别使绕组的一半和两半通电。
图2说明了最基本的单极电动机。为了获得更高的角度分辨率，转子必须具有更多的极数。已经制成了具有100个磁极的永磁转子，并且在混合转子中通常使用简单的双极永磁体上的带齿端盖来实现此极数计数。当转子的极数很高时，定子极总是带齿的，因此每个定子绕组都与大量的转子极抵靠。
双极电机
双极步进电动机由两个绕组组成，并具有四根电线。与单极电机不同，双极电机没有中心抽头。没有中心抽头的好处是电流一次流过整个绕组，而不是绕组的一半。结果，双极电动机产生的转矩比相同尺寸的单极电动机产生的转矩大。与单极电动机相比，双极电动机的缺点是控制更为复杂。
双线电机
“双线”一词的字面意思是“两线”。具有双线绕组的电动机在转子和定子上与双极电动机相同，唯一的例外是–每个绕组都由两条相互平行缠绕的线组成。结果，普通的双线电动机具有八线，而不是可比较的双极电动机的四线。
双极电动机可作为双极或单极电动机来驱动。要将双线电动机用作单极电动机，每个绕组的两条线串联连接，并且连接点用作中心抽头。绕线
图3中的绕组1显示出了单极绕组的连接配置。为了将双线电动机用作双极电动机，每个绕组的两条线并联或串联连接。图3中的绕组2显示了并联连接配置。并联允许高电流运行，而串联允许高电压运行。
有趣的是，单极电动机使用双股绕组进行缠绕，因此实际上连接了用作中心抽头的外部连接，如图3中的绕组1所示。因此，在额定功率下，单极电动机可用作双极电动机。电压和电机额定电流的一半。该声明基于电动机的温度和功率限制。
图3 双级步进电机
混合动力电机
混合动力电动机具有永磁体和可变磁阻步进电动机的工作原理。像可变磁阻电动机一样，混合式步进电动机的转子是多齿的，并在其轴周围包含轴向磁化的同心磁铁（见图4）。转子上的齿提供了一条路径，该路径有助于将磁通量引导到气隙中的首选位置。与可变磁阻和永磁类型相比，同心磁性磁体增加了电动机的制动，保持和动态转矩特性。
图4 混合步进电机
在步进电动机方面，混合动力电动机像单极和双极电动机一样被驱动。有关如何使混合动力电动机转弯的说明，请参见前面的“单极电动机”和“双极电动机”。
选择电动机
在为应用选择步进电机时，有几个因素要考虑。这些因素中的一些因素是使用哪种类型的电动机，系统的扭矩要求，控制器的复杂性以及电动机的物理特性。以下各段讨论了这些注意事项。
可变磁阻与永磁体或混合磁体
可变磁阻电机（VRM）受益于其设计的简单性。这些电动机不需要复杂的永磁体转子，因此通常比永磁体电动机更坚固。
对于所有电动机，转矩均随电动机速度的增加而下降，但是对于可变磁阻电动机，转矩随速度的下降并不明显。通过适当的电动机设计，可变磁阻电动机的转速超过每秒10000步是可行的，而很少有永磁和混合电动机以每秒5000步的速度提供有用的转矩，而大多数电动机的速度都限制在每秒1000步以下。
可变磁阻电动机的转速具有较低的转矩下降能力，因此在其他电动机需要齿轮传动的应用中，可以使用不带齿轮箱的电动机。例如，一些较新的洗衣机使用可变磁阻电动机来驱动滚筒，从而允许直接驱动慢速振荡洗涤周期和快速旋转周期。
可变磁阻电动机确实有一个缺点。在正弦励磁电流的作用下，永磁和混合动力马达非常安静。相反，无论使用哪种驱动波形，可变磁阻电动机通常都会产生噪声。结果，在产生噪声或振动的地方，通常优选永磁或混合电动机。
与可变磁阻电动机不同，永磁和混合动力电动机在不通电的情况下手动转动时会发生齿轮变形。这是因为即使没有电源，这些电动机中的永磁体也会吸引定子磁极。在某些应用中需要这种磁棘爪或剩余保持转矩，但是如果需要平稳滑行，则可能会成为问题的根源。
有了适当的控制系统，永磁体和混合动力电动机都可以微步进，从而可以定位到一步的一小部分，并且可以平稳，无晃动地从一个步骤移动到下一个步骤。微步进通常不适用于可变磁阻电动机。这些电动机通常以整步增量运行。为了使用可变磁阻电机实现高速，需要复杂的电流限制控制。
单极与双极
永磁和混合式步进电机可提供单极，双极或双股绕组。后者可用于单极或双极配置。使用单极或双极驱动系统之间的选择取决于驱动器简单性和功率重量比的问题。
双极电动机的扭矩比相同体积的同等单极电动机大大约30％。其原因是在单极电动机中，在任何给定时间只有一半的绕组通电。双极电动机在通电时会利用整个绕组。
双极电机产生的更高扭矩并非没有代价。双极电动机比单极电动机需要更复杂的控制电路（请参阅“基本控制电路”）。这将对应用程序的成本产生影响。
如有疑问，单极电机或双线电机是不错的选择。这些电动机可以配置为单极性或双极性电动机，并且在两种模式下均可对应用进行测试。
混合动力与永磁
在混合动力和永磁电动机之间进行选择时，两个主要问题是成本和分辨率。相同的驱动电子设备和接线选项通常适用于两种电机类型。
毫无疑问，永磁电动机是一些最便宜的电动机。有时将它们描述为罐堆叠式电动机，因为定子是由两个绕组堆叠而成的，这些绕组包裹在类似于锡罐的金属冲压件中，并且制造成本几乎相同。相比之下，混合和可变磁阻电机是使用堆叠式叠片制造的，而叠片的电机绕组缠绕起来要困难得多。
永磁电动机通常以30度至3.6度的步长制成。磁化具有50个以上磁极的永磁体转子的挑战在于，很少有较小的步长！相反，很容易在永磁电动机转子的端盖上切割细齿，因此步距为1.8度的永磁电动机非常普遍，并且较小的步距也很广泛。值得注意的是，尽管大多数可变磁阻电动机的步距都比较大，但这种电动机也可以制成很小的步距。
混合动力电动机具有可变磁阻电动机的一些振动问题，但是它们并不那么严重。它们通常能以高于永磁电动机的速度步进，尽管很少有电动机能提供每秒5000步以上的有用转矩。
功能特点
即使确定了电动机的类型，在选择一台特定电动机之前，仍需做出几项决定。扭矩，工作环境，寿命，物理尺寸，步长，最大RPM –这些都是会影响选择哪种电机的因素。
步长。做出的最关键的决定之一是电机的步长。这将取决于特定应用程序所需的分辨率。永磁电机最常见的步长为7.5度和3.6度。这分别对应于每转48步和100步。混合动力电动机的步长通常在3.6度（每转100步）到0.9度（每转400步）的范围内。
某些步进电机带有齿轮减速器，与甚至最好的步进电机相比，齿轮减速器提供的步进角更小。齿轮减速也增加了可用转矩，但是由于转矩随步进率下降，因此会降低最大转速。
为了进行线性运动，许多步进电机通过螺母连接到丝杠（这些电机也称为线性致动器）。由于该机构固有的齿轮减速，即使采用这种布置的粗糙台阶也可以使导螺杆非常精细地运动。
扭矩。选择步进电机时，扭矩是一个至关重要的考虑因素。步进电机具有不同类型的额定转矩。这些是：
bull;保持扭矩–旋转马达所需的扭矩。绕组通电时的电机轴。
bull;引入扭矩–以恒定的步进速度驱动时，电动机从站立启动可加速而不会丢失任何步距的扭矩。
bull;拉出扭矩–电动机可以移动的负载以工作速度运行时。
bull;止动转矩–绕组未通电时旋转电机轴所需的转矩。
步进电动机制造商将在其数据表中为电动机指定几个或所有这些转矩。
动态扭矩（拉入和拉出）是步速的函数。这些扭矩对于确定在
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