电机与电器技术揭秘步进电机的核心构造运行机制及独特优势
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转向、速度和旋转角度的精确控制。在不使用闭环反馈控制系统的情况下，这种开环控制系统就能提供高精度的位置和速度控制。
基本结构与工作原理
步进电机基本结构（如图1所示）
工作原理
步进驱动器根据外部输入的控位脉冲以及方向信号，通过内部逻辑电子元件来处理这些信息。这种处理使得绕组以特定的时序进行正向或反向通电，从而导致了输出轴的旋转或锁定。
以1.8度两相步进電機為例：當兩相線圈都被通電時，電機將保持静止并锁定当前位置。在额定条件下，当其中一相線圈发生变向时，電機将顺着一个既定的方向旋轉一步( 1.8 度)。同样的，如果是另外一项線圈发生变向，则它会顺着与前者相反方向旋轉一步( 1.8 度)。当通过线圈绕组依次按顺序变换励磁时，就能实现连续、高精度的机械运动。这对于精密设备尤其重要。
两相步進電機有双极性和单极性两种形式：
双极性型每个相仅有一个绕组线圈，在连续运行中需要八个电子开关来完成所有可能情况下的切换，以保证正确且高效地执行命令。
单极性型每个相有两个互补性的线圈，在运行过程中只需四个电子开关即可完成交替通断操作，减少了驱动复杂性，但同时也降低了一些性能指标，比如力矩输出量。
加速/减速运动控制
2 相(双极性)步進電機
2 相(单极性)步進電機
图 2 步進 電機工作原理图
特点：
• 精准位置调节能力 - 输入脉冲数值决定了轴体转动角度，一般误差小于10分钟弧，无累积误差。
• 高准确率速度调节 - 转速由输入频率决定，可以实现简单快捷地调整。
• 正负移动功能及急停能力 - 在整个速度范围内都可进行有效力的矩和位置管理，即使在锁定状态下，也能维持一定力矩输出。
• 稳定低速性能 - 不依赖齿轮箱，无需复杂调整，可在非常低的转速下平稳运行，同时输出较大的力矩，从而避免功耗增加及角位偏移，并降低成本占用空间。
• 长期耐用寿命设计 - 无刷设计保证了长时间稳定运作，其寿命取决于轴承健康状况。
振动噪音问题：
共振现象通常发生在空载状态下，当近似或等于固有频率时，将引起失控。此类共振问题可以通过以下几种方法解决：
A 避免振动区域，使工作频率不落入共振带内；
B 采用细分驱动模式，将原来的一步细分为多次迭代提高分辨率，从而降低整体震荡。这可以通过调整同一侧流比来实施微细化操作，而不会影响到总体上述设定的精确度，只会让机械运作更平稳、声音更小。当半程运行时，每单位距段中的力量将比整程稍弱15%，采用正弦波交流则力量损失30%。
结论：
在现代工业技术中，我们经常见到用于各种应用场合，如同步带轴直线推动物体移动，或滚珠丝杠轴实现在直线上行走。而由于无需回路反馈系统，所以最大的优点就是经济实用，并且获得很好的效益。但实际上，不仅限于生产领域，我们生活中的打印机、扫描仪、摄影设备、中资银行自动提款器以及三维打印工艺等，都广泛使用到了这类具有特殊性能的小型传感器——即我们称之为“伺服”、“微调”或者“超级微调”的那类非常敏感灵活但又强大且坚韧耐用的工具。
