运动控制领域步进电机制造商
致力为客户提供各种解决方案步进电机
开关磁阻电动机是非常大的步进电动机，其极数减少，并且通常是闭环换向的 。
当直流电压施加到其端子时，有刷直流电机连续旋转。 步进电动机的特性是将一系列输入脉冲（通常是方波脉冲）转换成轴位置的精确定义的增量。 每个脉冲使轴移动一个固定的角度。
步进电机有效地具有多个“齿形”电磁铁，这些电磁铁围绕中心齿轮形铁片布置。 电磁铁由外部驱动电路或微控制器供电。 为了使电动机轴转动，首先，给一个电磁铁提供动力，磁力吸引齿轮的齿。 当齿轮的齿与第一个电磁铁对齐时，它们稍微偏离下一个电磁铁。 这意味着当下一个电磁铁打开并且第一个电磁铁关闭时，齿轮稍微旋转以与下一个电磁铁对齐。 从那里重复该过程。 这些旋转中的每一个被称为“步骤”，其中整数个步骤进行完全旋转。 以这种方式，电动机可以以精确的角度转动。
电磁铁的圆形布置被分成组，每组称为相，并且每组具有相同数量的电磁铁。 组的数量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，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，总共十个电磁铁，则分组模式为ABABABABAB。
同一组内的电磁铁全部通电。 因此，具有更多相的步进电机通常具有更多的电线（或引线）来控制电机。
步进电机有三种主要类型：
永磁步进器
可变磁阻步进器
混合同步步进器
永磁电动机在转子中使用永磁体 （PM）并且对转子PM和定子电磁体之间的吸引力或排斥力进行操作。 可变磁阻 （VR）电动机具有普通铁转子，并且基于以最小间隙发生最小磁阻的原理操作，因此转子点被吸引向定子磁极 。 混合同步是永磁体和可变磁阻类型的组合，以最小化功率 。
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。
单极电机
单极步进电机每相具有一个带中心抽头的绕组。 对于每个磁场方向，每个绕组部分都接通。 由于在这种布置中可以在不切换电流方向的情况下反转磁极，因此可以使换向电路对于每个绕组非常简单（例如，单个晶体管）。 通常，给定一个相位，每个绕组的中心抽头是共用的：每相提供三个引线，典型的两相电机提供六个引线。 通常，这两个相位共用内部连接，因此电机只有五个引线。
可以使用微控制器或步进电机控制器以正确的顺序激活驱动晶体管 ，这种易操作性使单极电机受到业余爱好者的欢迎; 它们可能是获得精确角度运动的最便宜方式。
单极步进电机线圈
对于实验者来说，可以通过在PM电机中将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。 公共线和线圈端线之间的电阻始终是线圈端线之间电阻的一半。 这是因为两端之间的线圈长度是中心（公共线）到端部的一半。 确定步进电机是否工作的快速方法是每两对短路并尝试转动轴。 只要感觉到高于正常的电阻，就表明特定绕组的电路闭合且相位正在工作。
双极电机
双极电机每相具有单个绕组。 绕组中的电流需要反转以便反转磁极，因此驱动电路必须更复杂，通常采用H桥布置（但是有几种现成的驱动芯片可用于制造简单的事情）。 每相有两个引线，没有一个是常见的。
双线圈双极步进电机的典型驱动模式是：A + B + A- B-。 即驱动线圈A具有正电流，然后从线圈A移除电流; 然后用正电流驱动线圈B，然后从线圈B上移除电流; 然后用负电流驱动线圈A（通过例如用H桥切换导线来翻转极性），然后从线圈A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。
在某些驱动拓扑中已经观察到使用H桥的静摩擦效应。
以比电动机可以响应的更高频率抖动步进信号将减少这种“静摩擦”效应。
由于绕组被更好地利用，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的导线数量是两倍，但在任何时间点只使用一半，因此效率为50％（或大约70％的可用扭矩输出）。 虽然双极步进电机驱动更复杂，但驱动芯片的丰富意味着实现起来要困难得多。
8引脚步进电机就像单极步进电机，但引线不与电机内部共用。 这种电机可以采用多种配置进行接线：
单极。
双极带串联绕组。 这提供了更高的电感但每个绕组的电流更低。
双极并联绕组。 这需要更高的电流，但随着绕组电感的减小，性能会更好。
双相，每相单绕组。 这种方法仅在可用绕组的一半上运行电动机，这将减少可用的低速扭矩但需要更少的电流
高阶相位步进电机
具有多相的多相步进电机往往具有低得多的振动水平。 [4]虽然它们更昂贵，但它们确实具有更高的功率密度，并且适当的驱动电子设备通常更适合应用[ 需要引证 ] 。
驱动电路
带有Adafruit Motor Shield驱动电路的步进电机，用于Arduino
步进电机的性能很大程度上取决于驱动电路 。 如果定子磁极可以更快地反转，则扭矩曲线可以延伸到更大的速度，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，必须增加驱动电压。 这进一步导致必须限制这些高电压否则可能引起的电流。
通常与电感效应相当的另一个限制是电机的反电动势。 当电动机的转子转动时，产生与速度（步进速率）成比例的正弦电压。 从可用的电压波形中减去该AC电压以引起电流的变化。
L / R驱动电路
L / R驱动器电路也称为恒定电压驱动器，因为向每个绕组施加恒定的正或负电压以设定步进位置。 然而，它是绕组电流，而不是将电压施加到步进电机轴的电压。 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根据电感器的公式dI / dt = V / L确定绕组中电流的最大变化率。 因此，当由L / R驱动器控制时，步进电机的最大速度受其电感的限制，因为在某个速度下，电压U的变化将比我可以跟上的电流更快。 简单来说，电流变化率是L / R（例如，10欧姆电感，2欧姆电阻将需要5毫秒才能达到最大扭矩的约2/3或大约24毫秒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，可以通过在每个绕组上串联一个外部电阻来控制具有更高电压驱动的低压电阻电机。 这会浪费电阻器的功率并产生热量。 因此，它被认为是一种低性能选择，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到电机相来克服其中一些限制。 电压波形的幅度设置为随步进速率增加。 如果适当调整，这可以补偿电感和反电动势的影响，相对于电流模式驱动器可以获得不错的性能，但代价是电流模式驱动器更简单的设计工作（调整程序）。
斩波驱动电路
斩波器驱动电路被称为恒定电流驱动器，因为它们在每个绕组中产生稍微恒定的电流而不是施加恒定电压。 在每个新步骤中，最初将非常高的电压施加到绕组。 这导致绕组中的电流快速上升，因为dI / dt = V / L，其中V非常大。 每个绕组中的电流由控制器监控，通常通过测量与每个绕组串联的小检测电阻两端的电压。 当电流超过规定的电流限制时，通常使用功率晶体管关闭或“切断” 电压 。 当绕组电流低于规定限值时，电压再次打开。 以这种方式，对于特定的步进位置，电流保持相对恒定。 这需要额外的电子元件来检测绕组电流并控制开关，但它允许步进电机以比L / R驱动器更高的速度以更高的扭矩驱动。 用于此目的的集成电子器件可广泛使用。
相电流波形
不同的驱动模式显示4相单极步进电机上的线圈电流。
步进电机是一种多相交流同步电机 （见下面的理论），它理想地由正弦电流驱动。 全步波形是正弦曲线的粗略近似，这也是电机表现出如此大的振动的原因。 已经开发了各种驱动技术以更好地近似正弦驱动波形：这些是半步进和微步进。
波形驱动（一相打开）
在该驱动方法中，一次仅激活单个相。 它具有与全步驱动相同的步数，但电机将具有明显小于额定转矩。 它很少使用。 上面显示的动画图形是波浪驱动马达。 在动画中，转子有25个齿，旋转一个齿位需要4个步骤。 因此，每完整旋转将有25×4 = 100步，每步将为360/100 = 3.6度。
在该驱动方法中，齿数N被限制为能够从静止状态进行每个步骤。 当0位置指向一个齿时，移动到N / 4位置的最近的齿将比刚刚经过N / 4位置的齿更接近N / 4位置。 令\是整数除法使得25 \ 4 = 6且％为除法的余数，使得25％4 = 1，等式为N \ 4 + 1 - N / 4> N / 4 - N \ 4，即2 *（N \ 4）+1> N / 2，与4 *（N \ 4）+ 2> N = 4 *（N \ 4）+ N％4相同。 所以2> N％4，N％4可以是0,1,2,3，所以N％4 = 1或N％4 = 0.但是如果N％4 = 0，当0位置指向一个齿，N / 4位置只会指向一颗牙齿。 这使转子处于稳定位置而不会移动。 所以N％4 = 1.即N = 4 * n + 1.N可以是5,9,13,17,21,25，......，45，...，125 ...这是一个相等的差异序列。 但是为了生产许多牙齿是昂贵的，并且为了便于步骤计算，N = 25和N = 45是2个良好的数字。 N = 45然后一步= 360/45/4 = 2度。 N = 25一步= 360/25/4 = 3.6度。 对于更精细的步骤N可能是更大的数字。 一个好的大数是125，步长是360/125/4 = 0.72度。 对于那些声称1.8度步进的步进电机，N应该是49，这是近似的可忽略误差。如360 = 2 ^ 3 * 3 ^ 2 * 5，所以N = 4 * n + 1 = 2 ^ i * 3 ^ j * 5 ^ k，因为4 * n + 1是奇数，所以i = 0，并且它可能是4 * n + 1 = 3 ^ j * 5 ^ k，4 *（n -1 + 1）+1 = 4 * （n-1）+ 5，如果n-1 = 5 * m，那么N =（4 * m +1）* 5将是有利的，那么N又是25,45,65,85,105,125，...，再次等差序列。 4 * n + 1 = 4 *（n-2 +2）+ 1 = 4 *（n-2）+9，如果n = 2 = 9 * s，那么N =（4 * s + 1）* 9会如果4 * n + 1 = 10 * t + 1,2 * n = 5 * t，n = 5 * u，N = 20 * u，那么N是9,45,81,117，.... + 1，则N在21,41,61,81,101,121 ....;如果4 * n + 1 = 10 * t - 1,2 * n = 5 * t - 1 = 5 *（2 * v + 1 ）-1，n = 5 * v + 2，N = 20 * v + 9，则N在29,49,69,89,109,129,149 ....
全步驱动（两个阶段）
这是全步驱动电机的常用方法。 两相始终打开，因此电机将提供其最大额定转矩。 一旦关闭一个阶段，另一个阶段就会打开。 波动和单相全步都是同一个，步数相同但扭矩不同。
半步
半步进时，驱动器在两相之间交替，单相开启。 这增加了角分辨率。 电机在全步位置（仅有单相接通）的扭矩较小（约70％）。 这可以通过增加有源绕组中的电流来进行补偿来减轻。 半步进的优点是驱动电子设备不需要改变来支持它。 在上面显示的动画图中，如果我们将其改为半步，则需要8步才能旋转1个齿位置。 因此，每完整旋转将有25×8 = 200步，每步将为360/200 = 1.8°。 它每步的角度是整个步骤的一半。
微步
通常称为微步进的通常是正弦 - 余弦微步进 ，其中绕组电流近似于正弦AC波形。 正弦 - 余弦微步进是最常见的形式，但也可以使用其他波形。 [5]无论使用何种波形，随着微步进变小，电机操作变得更加平滑，从而大大减少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终端设备之间的机械静摩擦 ， 反冲和其他误差源的限制。 齿轮减速器可用于增加定位的分辨率。
步长重复性是一个重要的步进电机特性，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个完整步骤的行程（例如，每个完整步骤1.8度或每转200个完整步骤）将在每个其他完整步骤的行程的3％或5％范围内，因为电动机在规定的工作范围内运行。 一些制造商表明，他们的电机可以轻松地保持步进行程尺寸的3％或5％相等，因为步长从完全踩踏减少到1/10踩踏。 然后，随着微步进除数增加，步长重复性降低。 在大步长减小时，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“跳转”到新位置。 [6]
理论
步进电机可视为同步交流电机，极数（转子和定子两者）增加，注意它们没有共同点。 另外，转子和定子上具有许多齿的软磁材料便宜地倍增极数（磁阻电动机）。 现代步进机采用混合设计，具有永磁体和软铁芯 。
为了达到满额定转矩，步进电机中的线圈必须在每一步中达到其全额定电流 。 由移动的转子产生的绕组电感和反电动势倾向于抵抗驱动电流的变化，因此随着电动机加速，在全电流下花费的时间越来越少 - 从而降低了电动机转矩。 随着速度进一步增加，电流不会达到额定值，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，步进电机可以使其自身与施加的步进频率同步，并且该拉入扭矩必须克服摩擦和惯性。 重要的是要确保电机上的负载是摩擦力而不是惯性，因为摩擦会减少任何不必要的振荡。
引入曲线定义称为开始/停止区域的区域。 在该区域中，可以在施加负载的情况下瞬间启动/停止电动机，而不会失去同步。
拉出扭矩
通过将电动机加速到所需速度然后增加扭矩负载直到电动机停止或错过步骤来测量步进电动机的拉出扭矩。 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包括安全系数。
制动扭矩
使用永磁体的同步电动机在未被电驱动时具有谐振位置保持转矩（称为制动转矩或齿槽效应 ，并且有时包括在规范中）。 软铁磁阻芯不会出现这种现象。
振铃和共振
当电动机移动一步时，它会超过最终的静止点，并在它休息时绕这一点摆动。 这种不期望的振铃经历电动机振动并且在无负载电动机中更明显。 如果经历的振动足以导致失去同步，则卸载或欠载的电动机可能并且经常会停转。
步进电机具有固有的操作频率 。 当激励频率与该共振匹配时，振铃更明显，可能错过步骤，并且更可能停止。 电机共振频率可以通过以下公式计算：
评级和规格
步进电机的铭牌通常只给出绕组电流，偶尔也给出电压和绕组电阻。 额定电压将产生DC的额定绕组电流：但这主要是无意义的额定值，因为所有现代驱动器都是电流限制且驱动电压大大超过电机额定电压。
制造商提供的数据表通常表示电感。 反电动势同样重要，但很少列出（使用示波器测量很简单）。 这些数据有助于更深入的电子设计，偏离标准电源电压，调整第三方驱动电子设备，或在选择具有其他类似尺寸，电压和扭矩规格的电机型号时获得洞察力。
步进器的低速扭矩将随电流直接变化。 扭矩在更快的速度下下降的速度取决于绕组电感及其所连接的驱动电路，尤其是驱动电压。
步进器的尺寸应根据公布的扭矩曲线确定 ， 扭矩曲线由制造商在特定驱动电压下或使用其自身的驱动电路指定。 扭矩曲线中的下降表明可能存在共振，设计者应该理解其对应用的影响。
适用于恶劣环境的步进电机通常被称为IP65等级。
美国国家电气制造商协会（NEMA）标准化了步进电机的各个方面。 它们通常用NEMA DD表示，其中DD是面板的直径，以英寸乘以10（例如，NEMA 17的直径为1.7英寸）。 还有其他说明符来描述步进电机，这些细节可以在ICS 16-2001标准（第4.3.1.1节）中找到。 有关Reprap网站的有用摘要和更多信息。
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，以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 ， 测角器和镜座 。 其他用途包括包装机械，以及用于流体控制系统的阀门先导级的定位。
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机器以及最近的3D打印机中 。
步进电机系统
步进电机系统由三个基本元件组成，通常与某种类型的用户界面（主机，PLC或哑终端）结合使用：
索引
分度器（或控制器）是能够为驱动器产生步进脉冲和方向信号的微处理器 。 此外，索引器通常需要执行许多其他复杂的命令功能。
驱动程序
驱动器（或放大器）将分度器命令信号转换为激励电动机绕组所需的功率。 有许多类型的驱动器，具有不同的电压和电流额定值和构造技术。 并非所有驱动器都适合运行所有电机，因此在设计运动控制系统时，驱动器选择过程至关重要。
步进电机
步进电机是一种电磁装置，可将数字脉冲转换为机械轴旋转。 步进电机的优点是低成本，高可靠性，低速时的高扭矩以及简单，坚固的结构，几乎可在任何环境中运行。 使用步进电机的主要缺点是在低速时经常出现的共振效应和随着速度增加而减小的扭矩。 [8]
好处
控制成本低
启动时的高扭矩和低速
耐用性
简单的施工
可以在开环控制系统中运行
低维护
不太可能失速或滑倒
可以在任何环境中工作
可广泛用于机器人技术。
高可靠性
电机的旋转角度与输入脉冲成比例。
电机在静止状态下具有全扭矩（如果绕组通电）
精确定位和移动的可重复性，因为良好的步进电机精度为步长的3-5％，并且该误差从一步到下一步是非累积的。
对启动/停止/倒车的出色响应。
非常可靠，因为电机中没有接触刷。 因此，电动机的寿命仅取决于轴承的寿命。
电机对数字输入脉冲的响应提供了开环控制，使电机更简单，控制成本更低。
通过直接连接到轴的负载可以实现非常低速的同步旋转。
由于速度与输入脉冲的频率成比例，因此可以实现宽范围的旋转速度。
另请参见
有刷直流电动机
无刷直流电动机
轮缘
分马力马达
伺服电机
电磁阀
三相交流同步电动机
ULN2003A （步进电机）驱动器IC
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