揭秘有刷电机与无刷电机步进电机的核心结构运行奥秘与独特优势
导语：步进电机是一种独特的机电装置，它能够直接将电脉冲转换为机械运动。通过精确控制施加在电机线圈上的电脉冲顺序、频率和数量，步进电机可以实现对其转向、速度和旋转角度的精确控制。在不需要闭环反馈控制系统的情况下，步进电机与其配套的驱动器共同构成一个简单、高效且成本低廉的开环控制系统，从而实现高精度位置和速度控制。
基本结构和工作原理：
步进电机基本结构（如图1所示）
图 1 步进电机基本结构图
工作原理
步进驱动器根据外部提供的控制脉冲和方向信号，通过内部逻辑处理模块来管理两个或多个相位绕组，以一定时序方式使之正向或反向通流，从而产生机械运动。在这种方式中，一旦绕组中的某一相位发生变换，那么与该相位相关联的轴将会按照预设好的方向旋转一步(通常是1.8度)。当按顺序依次改变这些相位中的每个绕组时，可以实现连续旋转并保持高精度。
两相步进电机会有双极性和单极性两种不同类型。双极性设计中，每个相只有一个线圈，而单极性设计则拥有两个互补极性的线圈。当使用双极模式时，由于每个相都完全励磁，因此它比单极模式具有更大的输出力矩，这意味着在相同条件下，双极模式可以提供约40%更多的力矩。
加速/减速运动控制：
双極性步進電機
單極性步進電機
圖 2 步進電機工作原理圖
步進電機特點：
精確位置控製：通過輸入脈衝數量來確定軸轉動角度，其位置誤差小至幾分之一度，不累積。
精確轉速控製：轉速取決於輸入頻率，可實現精確調節與方便應用。
正向/反向轉動及急停功能：能夠在整個速度範圍內有效控製力矩與位置，並在靜止時保持一定力的輸出。
在低轉速情況下的準確位置控製：無需齿轮箱調節，即可平穩運行並產生較大力矩，在避免功率損耗與角度偏差同時降低成本並節省空間。
長壽命設計：由於無刷設計，使得使用壽命長期化，大部分失效原因來自軸承本身。
振動問題：
當電機以接近或等於固有頻率運行時會發生共振，這可能導致失蹤。如果這種振動問題發生了，有幾種方法可以解決：
A. 避開振動區段 - 确保工作頻率不落入共振範圍内。
B. 微分驅動模式 - 透過微小變化進行驅動操作提高分辨率降低噪音。
結語：
從工業自動化到日常生活用品，如打印機、掃描儀、攝像頭、ATM以及3D打印設備等，都廣泛應用了這些優秀性能的小型、高效能且經濟實用的運動系統——即著名之「步進電機」。
