在機械設計中，我們經常用到步進電機。
比如，用步進電機驅動同步帶軸，實現直線運動。
再比如，用步進電機驅動滾珠絲槓軸，也可以把旋轉運動轉換為直線運動。
因為不需要反饋系統，所以步進電機的最大優點是，低成本下可以獲得不錯的精度。
其實，除了機器中的運動平臺，生活中也可以發現步進電機的存在。
比如印表機，掃描儀，相機，ATM機，3D印表機等等。
那麼，步進電機的原理是什麼？
用一句話來說就是：給定子中的一組或多組線圈輪流通電，線圈中的電流產生磁場，轉子為了尋找新的平衡位置，自動調整它的位置，對其磁場，從而實現運動。
你可能會說，所有電機都是這個原理，哈，沒錯，那麼關於具體細節，我們後面慢慢用圖來說。
其實此前，我對步進電機的原理了解得也不是很多，不過最近好像對各類電機有點上癮，所以特地多了解了一些，畢竟，我們時時刻刻都會和電機打交道。
了解了之後，這不趁今天周末，我就來分享一下。
但是因為我不是做電機的，所以若有不妥，或者不完善之處，還希望業內人士能夠在留言區指出，補充。
今天的主要內容包括：步進電機的種類，構造，原理，步進電機的滿步半步微步控制方法，步進電機的速度扭矩特性，以及步進電機的優缺點等。
1.步進電機的類型
和其他類型的電機一樣，步進電機也是由定子和轉子構成。
在步進電機中，定子主要負責產生磁場，轉子負責跟隨磁場。
定子的主要特徵包括相數，磁對數，以及線圈配置。
相數是獨立線圈的數目，而磁對數表示每一相會產生多少對磁場。
2相步進電機是最常使用的，而3相，5相不常用。
左圖是2相單磁對數定子，右圖是2相偶磁對數定子，字母N和S表示當A+和A-通電時，定子產生的磁場。
因為步進電機的構造會影響步距，速度，扭矩，以及控制方式。
所以，接下來我先說說幾種不同步進電機的構造。
它們的區別主要在於轉子是怎麼做的。
（1）永磁式轉子（Permanent Magnet＝PM）
第一種，永磁式轉子，這種是最簡單，也是最便宜的。
它的結構如下圖，中間的轉子是用永磁鐵做成。
當定子線圈通電產生磁場，轉子磁鐵自動對齊磁場，跟隨旋轉。
永磁式轉子步進電機
線圈通電，中間轉子自動對齊線圈產生的磁場（圖片來自Microchip）
線圈通電，中間轉子自動對齊線圈產生的磁場（圖片來自Faulhaber）
這種結構，因為是用磁鐵做轉子，磁鐵磁通量大，進而扭矩大，所以保證了較好的輸出扭矩和制動扭矩。
所謂制動扭矩（Detent Torque），就是說，無論線圈是否通電，電機都會阻止旋轉，這是因為永磁鐵和定子之間的相互作用，會產生一定的扭矩，外力必須克服這個扭矩，電機才能動起來。
在電機生產廠家的產品目錄中，有的也寫為齒槽轉矩（Cogging Torque），或者殘餘扭矩（Residual Torque）。
當然，有優勢也就有劣勢。
這種結構的不足之處在於，它的轉速和步距（解析度）不高，比如一步轉動7.5°-15°，當然好處是體積可以做得很小，比如Φ20mm以下。
（2）可變磁阻式步進電機（Variable Reluctance＝VR）
這種電機，轉子是用軟磁材料做成，轉子多齒，不同的齒形分布，可以產生不同的解析度，線圈通電吸引轉子，引發轉動。
這種結構的好處是，可以實現高速及高解析度，而且沒有制動扭矩，但是扭矩比永磁式小，不適用於小電機。
因為沒有永磁鐵，所以可以在有強磁場的環境中，使用這種電機。
（3）混合型（The Hybrid Design＝HB）
混合型，看名字也大概知曉其含義，就是永磁式和可變磁阻式的混合。
這種電機的典型結構如下圖。
永磁和可變磁阻混合型步進電機（來自Microchips）
混合型步進電機結構
混合型步進電機的運動原理
轉子帶兩個齒冠，齒冠在軸向被磁化，一個齒冠是北極，一個是南極。
這種配置，使得混合型步進電機既有永磁式的優點，又有可變磁阻式的優點，特別是擁有高解析度，高速，高扭矩。
混合型步進電機，通常每圈有200步，也就是步距為360/200=1.8°，這種類型的電機受限於製造，目前最小只能做到Φ19mm。
當然，好特性需要更複雜的結構和控制，所以價格也更貴。
（4）單極步進電機和雙極步進電機
按照連接方式的不同，步進電機又可以分為單極步進電機（Unipolar Stepper Motor），和雙極步進電機（Bipolar Stepper Motor）。
單極和雙極步進電機的引線方法
單極步進電機驅動電路
在單極步進電機中，一根引線連接到線圈的中心點，這樣連線的好處是，可以用相對簡單的電路，來控制電流的方向。
如上圖所示，中央引線Am連接到輸入電壓Vin中，如果開關1處於激活狀態，則電流從Am流到A+。
如果開關2處於激活狀態，則電流會從AM流到A-，從而在相反的方向上產生磁場。
這種方法的好處是，可以簡化驅動電路，因為僅需要兩個半導體開關，但缺點是一次僅使用電機線圈的一半，這意味著，如果在線圈中流過相同的電流，磁場強度將會減半，另外，由於必須連接更多的引線，所以這種電機更難以構造。
雙極步進電機驅動電路
在雙極步進電機中，每個線圈只有兩個引線，要控制方向，必須使用H橋電路。
如上圖所示，如果開關1和4處於激活狀態，則電流從A+流向A-，而如果開關2和3處於激活狀態，則電流從A-流向A+，在相反的方向上產生磁場。
這種連線方案，缺點是需要更複雜的驅動電路，但優點是可以實現電機最大扭矩。和單極步進電機相比，此種連線可以提高40%的扭矩，也就是單極步進電機的√2倍。
2.步進電機的滿步，半步，及微步驅動
步進電機有三種驅動模式，即滿步，半步，還有微步驅動。
（1）滿步驅動（Full-step）
滿步驅動，就是一次走一個步距，這是一種常用的驅動方式。
根據通電相數，滿步驅動又分成兩種，一種是單相通電驅動，一種是雙相通電驅動。
為簡單起見，以永磁式步進電機為例來說明，如下圖。
單相通電滿步驅動，用線圈和磁鐵表示，這個容易懂
雙相通電滿步驅動，用線圈和磁鐵表示，這個容易懂
兩相滿步驅動時的線圈通電順序，一般在產品目錄中，供應商用這種表示方法。
單相和雙相通電滿步驅動概念
（2）半步驅動（Half-step）
半步驅動，就是一次只走半個步距。
實現方式是單相和雙相交替通電，原理如下圖。
半步驅動的好處是提高解析度，但是缺點是扭矩只有滿步驅動的70%，當然，也可以通過優化線圈中電流大小，來提高半步驅動扭矩。
半步驅動：單相雙相交替通電
兩相電機半步驅動：單相和雙相交替通電
單相和雙相交替通電，實現半步驅動的概念。單相通電時，線圈產生磁場，磁鐵因為磁場的吸引力，指向通電的線圈。雙相通電時，因為兩個線圈都產生磁場，所以合成磁場讓轉子處於中間平衡位置。
（3）微步驅動（Microstepping）
因為電流大小不同，將會導致線圈產生的磁場強度不同，從而導致轉子的平衡位置發生變化，這就是微步驅動的原理。
微步驅動原理：A線圈最開始有最大電流，而B線圈此時電流為零，定子指向A線圈。A線圈慢慢減小電流， B線圈慢慢增加電流，因為磁場平衡位置的變化，定子慢步向B線圈轉動。宏觀來看，A線圈中電流變化接近Cos曲線，B線圈電流變化接近Sin曲線，直到A線圈電流減為零，而B線圈電流達到最大值，定子指向B線圈。
微步驅動電流示意圖(來源TI)
微步運動舉例：在圖1中，A線圈通滿電流，圖2中A線圈通最大電流的0.92倍，而B線圈通最大電流的0.38倍，實現22.5°旋轉。同理，圖3中，A和B線圈同時通最大電流的0.71倍，可以實現45°旋轉。
比如，一個200步的步進電機，如果用滿電流驅動，那麼它的步距是1.8°，而如果用一半的電流驅動，那麼它的步距將會是0.9°。
當然還可以繼續細分，一般地，步進電機一個步距可以細分256步。
步數越多，可以獲得越平滑的運動，噪聲也越小，不容易失步（丟步），但是代價就是扭矩大大減小。
所謂失步，就是電機沒有按照命令走相應的步數，關於失步，後一小結中，我們專門來了解。
比如，當把一步分成16步時，扭矩僅為保持扭矩的10%左右。
設計時需要留夠餘量，比如一般會考慮負載的加減速，運動線的拖拽力，還有步進電機本身的制動扭矩（Detent Torque，由於定子和轉子之間的磁力，產生的扭矩，一般是保持扭矩的5%－20%），摩擦扭矩等。
當微步扭矩超過負載扭矩和摩擦扭矩及制動扭矩之和時，連續的微步才會實現。
有時制動扭矩起正作用，比如當電動機停止時，制動轉矩可能是有益的，因為它會抵消運動中的轉子的動量，因此更高的制動轉矩，將有助於電動機更快地停止。
也就是說，在微步模式下，電機不一定會動，這就會打亂全局精度。
所以，雖然微步可以實現更高的解析度，但是並不一定能帶來更好的精度。
你可能要問了，既然不一定能提高精度，那麼為什麼還要有微步驅動模式呢？
其實，微步驅動的主要作用在於減小機械噪聲，減小共振，減小機械傳動結構的磨損，實現更平滑的運動。
有研究表明，只有當載荷非常輕，微細步的扭矩足以驅動負載時，才可以提高精度。
實際上，把每整步細分成無限微步，就是兩相永磁交流電機的運行原理，這個今天就不說了，日後我再開一篇日記來寫吧。
現在，一些生產廠家，生產微步電機的努力方向，就是以犧牲保持扭矩為代價，減小制動扭矩，使得扭矩和位置關係更接近Sin曲線，而扭矩電流曲線更趨向線性。
我感覺這裡囉嗦得夠多了。
最後，關於滿步，半步，微步驅動，這裡有一張小結圖。
看圖，一下就明白了，還猶豫什麼，我保存了。
3.步進電機的速度扭矩曲線圖
步進電機理論的扭矩曲線，如下圖。
保持轉矩（Holding Torque）：
這是當電機靜止且施加額定電流到繞組時，電動機將產生的轉矩。
拔出轉矩曲線（Pull-Out Curve）：
該曲線表示步進電動機在任何給定速度下，可以提供給負載的最大轉矩。
超過該曲線所需的任何轉矩或速度，將導致電機失步，所以電機必須工作在此曲線下方。
實際上，通常所說的步進電機的扭矩速度曲線，指的就是這條曲線。
扭矩速度曲線是怎麼來的呢？
首先將步進電機空載旋轉至某一速度，然後通過制動器，緩慢將扭矩逐漸施加到輸出軸上，並使用扭矩傳感器測量扭矩，直到電機失去同步（停止）的那一刻，記錄此時施加在電機軸上的轉矩。
如此反覆，在每個速度點，重複此過程3次，然後，將三個扭矩值的平均值，用作將顯示在速度-扭矩曲線上的值，在多個速度點重複此過程，即可創建完整的扭矩速度曲線。
吸合轉矩曲線（Pull-In Curve）：
此曲線表示，在施加負載的情況下，電機在沒有任何加速或減速時，能夠啟動或停止的最大扭矩和速度組合。
簡單理解，這是電機在施加負載，而不會失去同步性的情況下，可以瞬時啟動，停止，或者反轉的最大速度。
吸合轉矩曲線，一般存在於老產品目錄中，因為以前電機無法通過低共振區域運行，因此需要引入吸合轉矩，來避免過大的共振。
但是，隨著微步進技術的發展，現在不再需要以預定速度啟動和停止，不必擔心輸入脈衝引起失步。
啟停區域（Start-Stop Region）：
啟停區域表示電機可以瞬間啟動，停止和反向，並且不會失步的工作區域。
迴轉區域（Slew Region）：
迴轉區域，是拔出轉矩和吸合轉矩曲線之間的區域，也是電機通常運行的範圍。
步進電機不能在此區域瞬間啟動和停止，必須在啟停區域啟動，加速到吸合轉矩曲線以上，或者在迴轉區域減速，然後在啟停區域停止，否則將會失步。
現在，電機的產品目錄中，實際的扭矩速度曲線，常常如下圖。
尺寸為85mm的步進電機，在轉速為1000r/min時，其扭矩相當於400W伺服電機的額定扭矩(來源於東方電機)
從圖中可以看出，步進電動機的轉矩特性不平坦，低速/中速範圍內的轉矩曲線趨向於變得很高，而在高速範圍內則變得極低。
對於短距離定位，低速/中速範圍內的高扭矩至關重要，這也是步進電機的優點之一。
相比之下，伺服電機中速至高速範圍內，可以產生平穩的轉矩，適用於長行程操作。
在選擇步進電機時，一般要遵循2個原則。
（1）根據應用的最高轉矩/速度選擇電機，也就是根據最壞情況選擇電機。
（2）扭矩餘量至少保持30％以上。當空間允許，而且可變因素較多時，可以選擇更大的餘量，比如50%，80%，甚至100%。
4.步進電機失步原因，及常用解決辦法
所謂失步，就是電機沒有按照命令走相應的步數。
通常過大的運行步距，會導致高振蕩，因為過大的步距，需要很大的扭矩，大扭矩又會產生大加速度，進而容易產生過衝和鈴響（振蕩）現象。
過大的步距產生振動（來自Microchip）
脈衝頻率和自然頻率相等時，發生振動。在上面的示例中，過度的振動導致在90度附近，沒有停穩，然後電機響應下一個脈衝，離開90度附近，到達180度。（來自Microchip）
當輸入的脈衝頻率，和轉子的自然頻率相等時，會發生共振，並且導致丟步。
通常在100-200pps範圍附近，有一個共振區域，在高階脈衝速率區域中，也有一個共振區域。
步進電機的共振現象，來自其基本結構，因此不可能完全消除。
共振和負載條件也有關係，一般可以通過半步或微步模式驅動電機，來減小共振，或者選擇高於共振頻率的驅動頻率來驅動電機，以避開共振。
因為構造原因，如果步進電機在低速丟步，那麼會丟多步，例如8，12，16等4的倍數，高速丟步時電機會停止，如果丟步低於4步，那麼是電子換向（Commutation）引起的。
失步會丟失精度，在步進電機的應用中，應該避免這種情況的發生。
下面是步進電機在使用過程中，常常遇到的問題，以及解決辦法。
步進電機常見問題及解決辦法（來源於Faulhaber）
5.步進電機的優缺點
最後，總結一下步進電機的優缺點。
深夜敲鍵盤，手都僵了。
懶得打字了，貼一張圖吧。
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我將感冒流涕，哦，不對，是感激流涕。