机电一体化难学吗揭秘步进电机的神秘面纱结构原理与特性大公开
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，步进电机能够实现对转向、速度和旋转角度的精确控制，无需复杂的反馈系统。在这种开环控制系统中，步进驱动器与其配套的步进电机共同工作，提供了一种简单、高效且成本较低的解决方案。
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输入的控制信号和方向指令，将逻辑处理后的信息传递给内部电子开关，以确定何时以及如何通電或断電于每个绕组。这一过程决定了是否产生磁场，以及磁场是正还是反，从而使得相应方向上发生移动。
以1.8度两相步進電機為例：當兩個绕组都同时通電励磁時，输出轴保持静止并锁定当前位置。当其中一个绕组中的励磁方向改变时，输出轴会沿着既定的方向旋转一步(1.8度)。同样的，如果另一个绕组中的励磁方向也改变，则输出轴会沿着与前者相反的方向再次旋转一步(又是1.8度)。当按顺序依次变换各个绕组中的励磁时，便可实现连续且精确地旋转，每完成200个这样的变化周期即可完成360度完整的一周。
两相步進電機有两种不同的配置方式：双极性型和单极性型。在双极性设计中，每个相分为两个互补的部分，一侧为正面另一侧为负面，当交替对应部分进行通或断连接时，可以实现连续旋转。而单极性则采用一种交叉激发模式，即每次只激发一段时间，然后迅速切换到下一段，这样可以减少设备损耗，同时提高性能。此外，由于在双极性模式下每个相分成100%独立励磁，因此其力矩比单极性的高出约40%。
加速/减速运动控制
对于2 相(双極性)及2 相(單極性)类型之間，在圖2中展示了這些不同類型之間最主要差異：
图 2 步進電機工作原理圖
特点：
精准位置控制：通过输入脉冲数来确定轴体转动角度，有着非常小甚至接近微秒级别的地位误差，不累积。
精确速度调节：仅需要调整输入脉冲频率便能获得所需速度，并且调节更加方便快捷。
正向/反向轉動與急停功能：無論是在整个运行范围内均能有效地對力矩進行調整，並實現軸體鎖定。
在低轉速環境下的精准位置控制：不需要额外齿轮箱調節，即可在很低轉速情况下平稳運行，同时输出较大的力矩，但功率消耗更少，对环境影响更小。
长期使用寿命保障:由于无刷设计，使得长期运用不会出现过热等问题，加强了耐久能力。
振动与噪音問題:
为了避免共振现象导致失稳的问题，可以采取以下措施：
A 避開振動區域:選擇適合於不會發生共振頻率點的地方來運行;
B 采用细分驱动模式:通過微调參數使得輸入頻率遠離共振點，以降低系統震動並減少噪聲;
结论：
在现代机械设计领域，我们经常看到步進電機被广泛应用于各种运动平台，如同步带臂、滚珠丝杠臂等，因为它们提供了经济实用的高精度运动解决方案。除了专业应用场景，还存在于我们日常生活中，比如打印设备、扫描仪、三维打印等众多地方，其中这些技术作为关键元素，为我们的生活带来了巨大便利。
