步进电机解析剖析其精妙结构操作原理与独特魅力
导语：步进电机是一种独特的机电装置，它能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。在没有闭环反馈控制系统的情况下，步进电机与其配套驱动器组成的开环控制系统，便能够实现高精度的位置和速度控制。
基本结构与工作原理：
步进电机的基本结构（如图1所示）
工作原理
步进电机驱动器根据外来的控制脉冲和方向信号，利用内部逻辑 电路来管理步进电机绕组，以一定时序进行正向或反向通電，使得電機正向/反向轉動，或保持锁定状态。
以1.8度两相步進電機為例：當兩相繞組都通電励磁時，電機輸出軸將靜止並鎖定位置。在額定電流下使電機保持鎖定的最大力矩為保持力矩。如果其中一相繞組的電流發生了變化，则電機將順著一個既定的方向旋轉一步( 1.8度)。同樣，如果是另外一项繞組的電流發生了變化則會按逆方向旋轉一步( 1.8 度)。當通過線圈繞組的電流按順序依次變化励磁時則能夠實現連續旋轉，並且運行精度非常高。對於1.8度兩相步進 電機來說，每完成一次完整循環需要200個步驟。
两相步進 电機有两种绕组形式：双极性和单极性。双极性 电機每个相上只有一个绕组线圈，而连续旋转时则需要八个电子开关进行顺序切换。而单极性 电機每个相上有两个线圈，在连续旋转时只需四个电子开关即可交替对同一相上的两个线圈进行通交流磁。此外，由于双极性驱动模式下的每个绕组线圈全程励磁，因此在这种模式下输出力矩比单极性模式增加约40%。
加速/减速运动控制：
双極制2 相 (雙極制單極制) 步進 電 機
圖 2 步進 電 機工作原理圖
特點：
精確地進行位置調整
依照輸入脈衝數量確定軸轉動角度，可以達到小於0.01°之間的小誤差，不累積。
高精確的一致速度
由於可以根據輸入頻率來調節轉速，可以輕易地實現準確控製與方便調整。
正向/反向運動以及急停及鎖定功能
在整個速度範圍內，都能夠有效地控製力矩與位置，即包括靜止狀態。在鎖定狀態下（即存在外部無法接收到任何翻譯指令），仍然持續提供一定力的矩。
在低速情況下的準確位置控製
不需齒輪箱就能平穩運行，並且維持較大的力矩，這樣減少了功耗、避免了偏差同時降低成本並節省空間。
長壽命設計
因為無刷設計，所以使用壽命主要取決於軸承而非其他零件損耗部分。
振動與噪音：
一般來說，在沒有負載的情況下，当运行频率接近或等于固有频率时会发生共振现象，这可能导致失去同步的问题。这一点可以通过以下方法来解决：
A 避開振動區间
调整输入频率，使其远离共振区域内。
B 采用细分驱动方式
通过微调输入数据，将原来的一次迁移细分为多次迁移，从而提高轴位分辨能力并减少噪声。这通常通过调整相同方向中的不同阶段来实现，并不是简单地将当前设置值乘以一个常数因子，而是重新计算整个过程中应有的各项参数以达到最佳效果。此方法虽然不会增加实际轴位精确度，但却使得整个设备运行更加平稳，同时降低了产生的声音水平。
小結：
由于不需要闭环反馈系统，直观来说，其优点就是经济实用，并且能够获得不错的地位准确性。而除了用于机械设计中的平台应用，如同步带轴或者滚珠丝杠轴之类的地方以外，这些技术也广泛应用于打印设备、扫描仪、摄像头以及自动售货机关键设备等场合中，为我们提供了一种无需复杂配置但又能够保证高度准确性的移动解决方案。
