步進電機原理及內部結構

一體化步進電機

什麼是步進電機，步進電機原理及內部結構是什麼，從家中的簡單DVD播放器或印表機到高度複雜的數控工具機或機械臂，步進電機幾乎無處不在。它能夠實現電子控制的精確運動，使這些電機可以應用於許多類似的監視器，硬碟，數控工具機，3D印表機，機器人，裝配機器人，雷射切割機等等。在本文中，讓我們了解這些電機的特殊之處及其背後的理論。

步進電機簡介

與所有電機一樣，步進電機也有定子和轉子，但與普通直流電機不同，定子由各組線圈組成。線圈的數量將根據步進電機的類型而不同，但是現在只需要了解在步進電機中，轉子由金屬杆組成，每個杆將被定子中的一組線圈吸引。下圖顯示了一個帶有8個定子極和6個轉子極的步進電機。

步進電機內部結構

如果您看下定子上的線圈，它們按線圈對排列，如A和A'形成一對B和B'形成一對，依此類推。因此，每個線圈對形成一個電磁鐵，它們可以使用驅動電路單獨通電。當線圈通電時，它充當磁鐵並且轉子極與其對準，當轉子旋轉以調節其自身以與定子對準時，它被稱為一步。類似地，通過按順序激勵線圈，我們可以以小步驟旋轉電動機以完成旋轉。

步進電機的類型

基於結構的步進電機主要有三種類型：

可變磁阻步進電機：它們具有鐵芯轉子，它被定子磁極吸引，並通過定子和轉子之間的最小磁阻提供運動。

永磁步進電機：它們具有永磁轉子，它們根據施加的脈衝被排斥或吸引到定子。

混合同步步進電機：它們是可變磁阻和永磁步進電機的組合。

除此之外，我們還可以根據定子繞組的類型將步進電機分類為單極和雙極。

雙極步進電機：此類電機上的定子線圈不具有公共電線。這種步進電機的驅動是不同的和複雜的，並且沒有微控制器也不能容易地設計驅動電路。

單極步進電機：在這種類型的步進電機中，我們可以將相繞組的中心抽頭用於公共接地或公共電源，如下所示。這使得驅動電機變得容易，單極步進電機也有很多類型

步進電機極性

步進電機的工作模式

由於步進模式的定子由不同的線圈對構成，因此每個線圈對可以用許多不同的方法激勵，這使得模式能夠以許多不同的模式驅動。要了解步進電機原理先看看以廣泛的分類

全步模式

在全步激勵模式下，我們可以以最小的匝數（步長）實現完整的360°旋轉。但這會導致慣性減小，旋轉也不會平滑。在全步激勵中還有兩個分類，它們是一個相位波步進和兩個相位模式。

1.一個相位步進或波形步進：在此模式下，電機的一個端子（相位）將在任何給定時間通電。這具有較少的步數，因此可以實現完整的360°旋轉。由於步數較少，因此該方法消耗的電流也非常低。下表顯示了4相步進電機的波形步進順序

2.兩個階段性步進：正如該方法中的名稱所示，兩個階段將是一個階段。它具有與波步進相同的步數，但由於兩個線圈一次通電，因此與先前的方法相比可以提供更好的扭矩和速度。雖然一個缺點是這種方法也消耗更多的能量。

半步模式

半步模式是一個相接通模式和兩相接通模式的組合。這種組合將幫助我們克服兩種模式的上述缺點。

正如您可能已經猜到的那樣，因為我們將兩種方法結合起來，我們將在此方法中執行8個步驟以獲得完整的旋轉。下面顯示的4相步進電機的切換順序

微步模式

微步進模式是所有產品的複雜功能，但它具有非常好的精度以及良好的扭矩和平穩的操作。在這種方法中，線圈將被兩個相隔90°的正弦波激勵。這樣我們就可以控制流過線圈的電流的方向和幅度，這有助於我們增加電機在一次完整旋轉時所需的步數。微步進可以高達256步進行一次完整旋轉，這使電機旋轉更快更平滑。

如何使用步進電機

足夠無聊的理論，讓我們假設有人給你一個步進電機說著名的28-BYJ48，你真的很想讓它工作。到這個時候你會明白，只要通過電源供電就不可能讓這些電機旋轉，你會怎麼做呢？

28一體化步進電機

所以不像普通的直流電機那麼它有五條所有花哨的顏色的電線從它出來，為什麼會這樣呢？要理解這一點，我們首先應該知道我們已經討論過的步進器。首先，步進電機不旋轉，它們是步進式的，因此它們也稱為步進電機。意思是，他們一次只會移動一步。這些電動機中存在一系列線圈，這些線圈必須以特定方式通電以使電動機旋轉。當每個線圈通電時，電機需要一步，一系列通電將使電機連續步進，從而使其旋轉。讓我們看一下電機內部的線圈，確切地知道這些電線來自何處。

步進電機接線

如您所見，電機具有單極5引線線圈布置。有四個線圈必須以特定順序通電。紅線將提供+ 5V，其餘四根線將被拉至地，以觸發相應的線圈。我們使用任何微控制器以特定順序激勵這些線圈，並使電機執行所需的步驟數。同樣，您可以使用許多序列，通常使用4步，並且為了更精確的控制，也可以使用8步控制。 4步控制的序列表如下所示。

所以現在，為什麼這款電機被稱為28-BYJ48？認真！我不知道。這種電機的名稱沒有技術原因;也許我們不應該深入研究它。讓我們看看下圖中從該電機數據表中獲得的一些重要技術數據。

28步機 電機參數

這裡面的信息很多，但我們需要看幾個重要的信息，以了解我們使用的步進器類型，以便我們可以有效地編程。首先我們知道它是一個5V步進電機，因為我們用5V為紅線供電。然後，我們也知道它是一個四相步進電機，因為它有四個線圈。現在，齒輪比為1:64。這意味著只有當電機內部旋轉64次時，您在外面看到的軸才能完成一次旋轉。這是因為連接在電機和輸出軸之間的齒輪，這些齒輪有助於增加扭矩。

需要注意的另一個重要數據是步幅：5.625°/ 64。這意味著當以8步順序操作時，電機每步將移動5.625度，並且需要64步（5.625 * 64 = 360）才能完成一次完整旋轉。

Steps per revolution = 360/step angle Here, 360/11.25 = 32 steps per revolution.

為什麼我們需要步進電機的驅動模塊？

由於步進電機原理的特殊性大多數步進電機只能在驅動模塊的幫助下運行。這是因為控制器模塊（微控制器/數字電路）將無法從其I / O引腳提供足夠的電流以使電機運行。因此我們將使用像ULN2003模塊這樣的外部模塊作為步進電機驅動器。有許多類型的驅動器模塊，其中一個的額定值將根據所用電機的類型而改變。所有驅動器模塊的主要原理是為電動機提供足夠的電流以使其運行。除此之外，還有一些驅動程序模塊具有預先編程的邏輯，但我們不會在此討論它。

如果您想知道如何使用某些微控制器和驅動器控制步進電機，那麼我們已經介紹了許多關於其使用不同微控制器操作的文章：

步進電機Arduino 單片機控制

步進電機與STM32單片機控制

小型步進電機驅動器

步進電機驅動器原理

現在我相信您有足夠的信息來控制您的項目所需的任何步進電機。讓我們來看看步進電機的優缺點。

步進電機的優點

步進電機的一個主要優點是它具有出色的位置控制，因此可用於精確控制應用。它還具有非常好的保持力矩，使其成為機器人應用的理想選擇。步進電機也被認為具有比普通DC或伺服電機更長的使用壽命。

步進電機的缺點

像所有電機一樣，步進電機也有其自身的缺點，因為它通過採取小步驟旋轉，無法實現高速。即使在理想情況下它也會消耗功率以保持扭矩，從而增加功耗。

以上為步進電機原理及其內部結構。