【理上网来】站在新的历史起点上推动构建人类命运共同体
加入技术交流群
实际上，并非所有步进电机都具有相同的内部结构（或构造），因为不同电机的转子和定子配置都不同。
转子
步进电机基本上有三种类型的转子：- 永磁转子：转子为永磁体，与定子电路产生的磁场对齐。这种转子可以保证良好的扭矩，并具有制动扭矩。这意味着，无论线圈是否通电，电机都能抵抗（即使不是很强烈）位置的变化。但与其他转子类型相比，其缺点是速度和分辨率都较低。图3显示了永磁步进电机的截面图。
- 可变磁阻转子：转子由铁芯制成，其形状特殊，可以与磁场对齐（请参见图1和图2）。这种转子更容易实现高速度和高分辨率，但它产生的扭矩通常较低，并且没有制动扭矩。
- 混合式转子：这种转子具有特殊的结构，它是永磁体和可变磁阻转子的混合体。其转子上有两个轴向磁化的磁帽，并且磁帽上有交替的小齿。这种配置使电机同时具有永磁体和可变磁阻转子的优势，尤其是具有高分辨率、高速度和大扭矩。当然更高的性能要求意味着更复杂的结构和更高的成本。
- 图3显示了这种电机结构的简化示意图。线圈A通电后，转子N磁帽的一个小齿与磁化为S的定子齿对齐。与此同时，由于转子的结构，转子S磁帽与磁化为N的定子齿对齐。尽管步进电机的工作原理是相同的，但实际电机的结构更复杂，齿数要比图中所示的更多。大量的齿数可以使电机获得极小的步进角度，小至0.9°。
晶体管桥：从物理上控制电机线圈电气连接的设备。晶体管可以看作是电控断路器，它闭合时线圈连接到电源，线圈中才有电流通过。每个电机相位都需要一个晶体管电桥。
预驱动器：控制晶体管激活的设备，它由MCU控制以提供所需的电压和电流。MCU：通常由电机用户编程控制的微控制器单元，它为预驱动器生成特定信号以获得所需的电机行为。
- Step/Direction （步进/方向） –在Step引脚上发送一个脉冲，驱动器即改变其输出使电机执行一次步进，转动方向则由Direction引脚上的电平来决定。
- Phase/Enable（相位/使能） –对每相的定子绕组来说，Enable决定该相是否通电， Phase决定该相电流方向，。
- PWM – 直接控制上下管FET的栅极信号。
- 拥有电压控制功能，驱动器可以调节绕组上的电压，产生的扭矩和步进速度仅取决于电机和负载特性。
- 电流控制驱动器更加先进，因为它们可以调节流经有源线圈的电流，更好地控制产生的扭矩，从而更好地控制整个系统的动态行为。
如果MOSFET 1导通，则电流从AM流向A +。如果MOSFET 2导通，则电流从AM流向A-，在相反方向上产生磁场。如上所述，这种方法可以简化驱动电路（仅需要两个半导体），但缺点是一次仅使用了电机中铜导体的一半，这意味着如果线圈中流过相同的电流 ，则磁场强度仅为使用全部铜导体时的一半。另外，由于电机输入引线更多，这类电机较难构造。
- 波动模式：一次仅一个相位通电（见图11）。为简单起见，如果电流从某相的正引线流向负引线（例如，从A +到A-），则我们称为正向流动；否则，称为负向流动。从下图左侧开始，电流仅在A相中正向流动，而用磁体代表的转子与其所产生的磁场对齐。接着，电流仅在B相中正向流动，转子顺时针旋转90°以与B相产生的磁场对齐。随后，A相再次通电，但电流负向流动 ，转子再次旋转90°。最后，电流在B相中负向流动，而转子再次旋转90°。
- 全步模式：两相始终同时通电。图12显示了该驱动模式的步进步骤。其步骤与波动模式类似，最大的区别在于，全步模式下，由于电机中流动的电流更多，产生的磁场也更强，因此扭矩也更大。
- 半步模式是波动模式和全步模式的组合（请参见图12）。这种模式可以将步距减小一倍（旋转45°，而不是90°）。其唯一的缺点是电机产生的扭矩不是恒定的，当两相都通电时扭矩较高，只有一相通电时扭矩较小。
- 微步模式：可以看作是半步模式的增强版，因为它可以进一步减小步距，并且具有恒定的扭矩输出。这是通过控制每相流过的电流强度来实现的。与其他方案相比，微步模式需要更复杂的电机驱动器。图14显示了微步模式的工作原理。假设IMAX是一个相位中可以通过的最大电流，则从图中左侧开始，在第一个图中IA = IMAX，IB = 0。下一步，控制电流以达到IA = 0.92 x IMAX，IB = 0.38 x IMAX，它产生的磁场与前一个磁场相比顺时针旋转了22.5°。控制电流达到不同的电流值并重复此步骤，将磁场旋转45°、67.5°和90°。与半步模式相比，它将步距减少了一半；但还可以减少更多。使用微步模式可以达到非常高的位置分辨率，但其代价是需要更复杂的设备来控制电机，并且每次步进产生的扭矩也更小。扭矩与定子磁场和转子磁场之间的夹角正弦成正比；因此，当步距较小时，扭矩也较小。这有可能会导致丢步，也就是说，即使定子绕组中的电流发生了变化，转子的位置也可能不改变。
- 得益于其内部结构，步进电机不需要传感器来检测电机位置。步进电机是通过执行“步进”来运动的，因此只需简单地计算步数就可以获得给定时间的电机位置。
- 此外，步进电机的控制非常简单。它也需要驱动器，但不需要复杂的计算或调整即可正常工作。与其他电机相比，其控制工作量通常很小。而且，如果采用微步模式，还可以实现高达0.007°的位置精度。
- 步进电机在低速时可提供良好的扭矩，也可以很好的保持位置，而且使用寿命长。
- 当负载扭矩过高时可能会失步。由于无法获知电机的实际位置，因此会对控制产生负面影响。采用微步模式时更易产生此问题。
- 步进电机即使在静止时也总是消耗最大电流，因此会降低效率并可能导致过热。
- 步进电机扭矩小，在高速下会产生很大的噪音。
- 步进电机具有低功率密度和低扭矩惯性比。
*博客内容为网友个人发布，仅代表博主个人观点，如有侵权请联系工作人员删除。
