在机械设计中，我们经常用到步进电机。比如，用步进电机驱动同步带轴，实现直线运动。再比如，用步进电机驱动滚珠丝杠轴，也可以把旋转运动转换为直线运动。因为不需要反馈系统，所以步进电机的最大优点是，低成本下可以获得不错的精度。其实，除了机器中的运动平台，生活中也可以发现步进电机的存在。比如打印机，扫描仪，相机，ATM机，3D打印机等等。

那么，步进电机的原理是什么？

用一句话来说就是：给定子中的一组或多组线圈轮流通电，线圈中的电流产生磁场，转子为了寻找新的平衡位置，自动调整它的位置，对其磁场，从而实现运动。

你可能会说，所有电机都是这个原理，哈，没错，那么关于具体细节，我们后面慢慢用图来说。

其实此前，我对步进电机的原理了解得也不是很多，不过最近好像对各类电机有点上瘾，所以特地多了解了一些，毕竟，我们时时刻刻都会和电机打交道。

了解了之后，这不趁今天周末，我就来分享一下。

但是因为我不是做电机的，所以若有不妥，或者不完善之处，还希望业内人士能够在留言区指出，补充。

今天的主要内容包括：步进电机的种类，构造，原理，步进电机的满步半步微步控制方法，步进电机的速度扭矩特性，以及步进电机的优缺点等。

 
1.步进电机的类型

和其他类型的电机一样，步进电机也是由定子和转子构成。

在步进电机中，定子主要负责产生磁场，转子负责跟随磁场。

定子的主要特征包括相数，磁对数，以及线圈配置。

相数是独立线圈的数目，而磁对数表示每一相会产生多少对磁场。

2相步进电机是最常使用的，而3相，5相不常用。

左图是2相步进电机，右图是3相步进电机定子示意图

左图是2相单磁对数定子，右图是2相偶磁对数定子，字母N和S表示当A+和A-通电时，定子产生的磁场。

因为步进电机的构造会影响步距，速度，扭矩，以及控制方式。
 

所以，接下来我先说说几种不同步进电机的构造。

它们的区别主要在于转子是怎么做的。

（1）永磁式转子（Permanent Magnet＝PM）

第一种，永磁式转子，这种是最简单，也是最便宜的。

它的结构如下图，中间的转子是用永磁铁做成。

当定子线圈通电产生磁场，转子磁铁自动对齐磁场，跟随旋转。

永磁式转子步进电机

线圈通电，中间转子自动对齐线圈产生的磁场（图片来自Microchip）

线圈通电，中间转子自动对齐线圈产生的磁场

这种结构，因为是用磁铁做转子，磁铁磁通量大，进而扭矩大，所以保证了较好的输出扭矩和制动扭矩。

所谓制动扭矩（Detent Torque），就是说，无论线圈是否通电，电机都会阻止旋转，这是因为永磁铁和定子之间的相互作用，会产生一定的扭矩，外力必须克服这个扭矩，电机才能动起来。

在电机生产厂家的产品目录中，有的也写为齿槽转矩（Cogging Torque），或者残余扭矩（Residual Torque）。

当然，有优势也就有劣势。

这种结构的不足之处在于，它的转速和步距（分辨率）不高，比如一步转动7.5°-15°，当然好处是体积可以做得很小，比如Φ20mm以下。

（2）可变磁阻式步进电机（Variable Reluctance＝VR）



可变磁阻式步进电机结构

这种电机，转子是用软磁材料做成，转子多齿，不同的齿形分布，可以产生不同的分辨率，线圈通电吸引转子，引发转动。

这种结构的好处是，可以实现高速及高分辨率，而且没有制动扭矩，但是扭矩比永磁式小，不适用于小电机。

因为没有永磁铁，所以可以在有强磁场的环境中，使用这种电机。

（3）混合型（The Hybrid Design＝HB）

混合型，看名字也大概知晓其含义，就是永磁式和可变磁阻式的混合。

这种电机的典型结构如下图。

永磁和可变磁阻混合型步进电机

 

混合型步进电机结构

混合型步进电机的运动原理

转子带两个齿冠，齿冠在轴向被磁化，一个齿冠是北极，一个是南极。

这种配置，使得混合型步进电机既有永磁式的优点，又有可变磁阻式的优点，特别是拥有高分辨率，高速，高扭矩。

混合型步进电机，通常每圈有200步，也就是步距为360/200=1.8°，这种类型的电机受限于制造，目前最小只能做到Φ19mm。

当然，好特性需要更复杂的结构和控制，所以价格也更贵。

（4）单极步进电机和双极步进电机

按照连接方式的不同，步进电机又可以分为单极步进电机（Unipolar Stepper Motor），和双极步进电机（Bipolar Stepper Motor）。

单极和双极步进电机的引线方法

单极和双极步进电机的引线方法


单极步进电机驱动电路

在单极步进电机中，一根引线连接到线圈的中心点，这样连线的好处是，可以用相对简单的电路，来控制电流的方向。

如上图所示，中央引线Am连接到输入电压Vin中，如果开关1处于激活状态，则电流从Am流到A+。

如果开关2处于激活状态，则电流会从AM流到A-，从而在相反的方向上产生磁场。

这种方法的好处是，可以简化驱动电路，因为仅需要两个半导体开关，但缺点是一次仅使用电机线圈的一半，这意味着，如果在线圈中流过相同的电流，磁场强度将会减半，另外，由于必须连接更多的引线，所以这种电机更难以构造。

双极步进电机驱动电路

在双极步进电机中，每个线圈只有两个引线，要控制方向，必须使用H桥电路。

如上图所示，如果开关1和4处于激活状态，则电流从A+流向A-，而如果开关2和3处于激活状态，则电流从A-流向A+，在相反的方向上产生磁场。

这种连线方案，缺点是需要更复杂的驱动电路，但优点是可以实现电机最大扭矩。和单极步进电机相比，此种连线可以提高40%的扭矩，也就是单极步进电机的√2倍。