张雪峰探秘步进电机解密其基本构造运作奥秘与独特优势
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，无需闭环反馈控制系统即可实现高效的开环控制。此外，由于其结构简单，成本低廉，使得步进电机成为了许多应用领域中的首选选择。
基本结构和工作原理：
步进电机的基本构造（如图1所示）
工作原理
步进驱动器根据外部提供的控制信号和方向指令，通过内部逻辑处理程序来管理每个绕组，以确定何时以及如何进行正向或反向通流，从而产生一定角度的旋转运动。在以1.8度两相步进电机为例时，当两个绕组同时励磁并保持静止状态时，可以锁定位置；当其中一相绕组发生变向通流时，会导致沿既定的方向移动0.18弧度。这种连续按顺序更改绕组励磁状态使得设备能够按照预设模式执行连续旋转，并且运行过程中具有极高精度。
两相步进motor有两种类型：双极性与单极性。在双极性设计中，每个相仅包含一个线圈，而在单极性设计中，每个相则包括两个互补线圈。当使用双极性的驱动方式时，因为每次励磁覆盖100%范围，因此比单极性的情况下增加了约40%输出力矩。
加速/减速运动控制：
双级(双极)直流同步马达
单级(单级)直流同步马达
图 3 步入马达工作原理图
特点：
精确位置控件
依据输入脉冲数量来确定轴体旋转角度。误差非常小，只有几分之一度，而且不会累积。
精准速度控件
由于输入频率决定了输出速度，可以实现精细调节。
正反方向运输及急停功能
无论是在整个速度范围内，都能有效地操控力矩及位置，在锁定状态下仍然维持一定力的输出。
在低速条件下的高精密位置控件
不需要齿轮箱调整，即可在低速下稳定运行，同时提供较大力矩，减少功耗与偏差，同时降低成本占用空间。
长期使用寿命保留
由于无刷设计，其寿命通常取决于轴承。
振动与噪音：
一般情况下，当空载运行并接近或等于固有频率，与共振现象相关联，有可能引起失去平衡的问题。避免共振区间或者采用微分驱动模式是解决这一问题的手段之一，其中微分驱动涉及细化每一步操作以提高分辨率，但不会影响最终角位准确性。此外，还可以采取调整当前供给给每个循环比例来进一步优化性能。在半步甚至正弦波当前供给的情况下，将会看到15%-30%力的减少，但这并不妨碍设备平稳运行或降低噪声水平。
总结：
在机械工程中，我们经常依赖于这些设备，比如将它们用于同步带轴上执行直线运动，或是滚珠丝杠轴上达到同样的效果。而由于没有必要借助反馈系统，所以最大的优势就是经济实用且具备良好的性能。这类技术也广泛存在生活中的电子产品，如打印机构、扫描仪、摄影器材、ATM自动柜员机以及3D打印技术等。
