步進(jìn)電機(jī)的類型及工作原理

一、什么是步進(jìn)電機(jī)？

步進(jìn)電機(jī)，又稱為脈沖電動機(jī)，是一種特殊的電動機(jī)，其工作原理是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或線位移。這種電動機(jī)的顯著特點(diǎn)是每當(dāng)輸入一個電脈沖信號時，它就會按照預(yù)定的角度或距離進(jìn)行一步動作，因此得名“步進(jìn)電機(jī)”。

步進(jìn)電機(jī)的基本構(gòu)造包括一個定子和一個轉(zhuǎn)子，定子通常包含多個電磁線圈，而轉(zhuǎn)子則由一系列磁極組成。通過依次激勵不同的定子線圈，可以精確地控制轉(zhuǎn)子的角位移。同時，步進(jìn)電機(jī)的輸出角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速則與脈沖頻率成正比，這使得步進(jìn)電機(jī)具有極高的位置控制精度和可重復(fù)性。

步進(jìn)電機(jī)在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，包括數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療設(shè)備、家電、汽車、工業(yè)自動化、自動化設(shè)備、機(jī)器人、3D打印機(jī)等。在數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域，步進(jìn)電機(jī)可以直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移，是數(shù)控機(jī)床最為理想的執(zhí)行元件。在醫(yī)療設(shè)備中，步進(jìn)電機(jī)可以實現(xiàn)精準(zhǔn)定位和快速響應(yīng)，提高設(shè)備的性能和效果。

二、步進(jìn)電機(jī)的類型

步進(jìn)電機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)主要有以下三種類型：

可變磁阻步進(jìn)電機(jī)： 它們具有鐵芯轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子被定子磁極吸引，并通過定子和轉(zhuǎn)子之間的最小磁阻提供運(yùn)動。

永磁步進(jìn)電機(jī)： 它們具有永磁轉(zhuǎn)子，根據(jù)施加的脈沖被排斥或吸引向定子。

混合式同步步進(jìn)電機(jī)： 它們是變磁阻和永磁步進(jìn)電機(jī)的組合。

除此之外，我們還可以根據(jù)定子繞組的類型將步進(jìn)電機(jī)分為單極和雙極。

雙極步進(jìn)電機(jī)： 此類電機(jī)的定子線圈沒有共用電線。這類步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式不同且復(fù)雜，如果沒有微控制器，驅(qū)動電路也很難設(shè)計。

單極步進(jìn)電機(jī)： 在這種類型的步進(jìn)電機(jī)中，我們可以將兩個相繞組的中心抽頭用于公共接地或公共電源，如下所示。這使得驅(qū)動電機(jī)變得很容易，單極步進(jìn)電機(jī)也有很多類型

三、步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)的工作方式與直流電刷電機(jī)不同，直流電刷電機(jī)在端子上施加電壓時旋轉(zhuǎn)。另一方面，步進(jìn)電機(jī)實際上具有圍繞中心齒輪形鐵片排列的多個帶齒電磁體。電磁體由外部控制電路（例如微控制器）供電。

為了使電機(jī)軸轉(zhuǎn)動，首先給一個電磁體通電，使齒輪的齒被磁力吸引到電磁體的齒上。當(dāng)齒輪的齒與第一個電磁體對齊時，它們與下一個電磁體稍微偏移。因此，當(dāng)下一個電磁體打開并且第一個電磁體關(guān)閉時，齒輪會稍微旋轉(zhuǎn)以與下一個電磁體對齊，并從那里重復(fù)該過程。每一次輕微的旋轉(zhuǎn)稱為一個步驟，整數(shù)個步驟構(gòu)成一次完整的旋轉(zhuǎn)。

這樣，電機(jī)就可以精確轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī)不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而是步進(jìn)旋轉(zhuǎn)。 定子上固定有4個相互成90° 角的線圈。步進(jìn)電機(jī)連接由線圈的互連方式?jīng)Q定。在步進(jìn)電機(jī)中，線圈沒有連接。電機(jī)具有 90° 旋轉(zhuǎn)步長，線圈按循環(huán)順序通電，確定軸旋轉(zhuǎn)方向。

通過操作開關(guān)來顯示該電機(jī)的工作情況。線圈以 1 秒的間隔串聯(lián)激活。 每次激活下一個線圈時，軸都會旋轉(zhuǎn) 90° 。其低速扭矩將直接隨電流變化。

四、步進(jìn)電機(jī)控制器電路圖

簡單的 555定時器步進(jìn)電機(jī)控制器電路采用少量易于使用的組件進(jìn)行設(shè)計。該電路使步進(jìn)電機(jī)連續(xù)驅(qū)動，沒有任何中斷或步進(jìn)停止。通過使用該電路，我們可以驅(qū)動具有不同額定電壓的單極步進(jìn)電機(jī)。請記住，該電路僅使用 9V 電源，并且能夠驅(qū)動 12V 以下的步進(jìn)電機(jī)。如果要驅(qū)動高于 12V 的步進(jìn)電機(jī)，請為步進(jìn)電機(jī)和功率開關(guān)晶體管添加外部電源。

該電路有兩部分，一部分用于產(chǎn)生方波脈沖振蕩，另一部分用于向步進(jìn)電機(jī)提供步進(jìn)脈沖。

我們知道步進(jìn)電機(jī)也稱為步進(jìn)電機(jī)，大多數(shù)是無刷直流電機(jī)，將其整個旋轉(zhuǎn)分成多個相等的步數(shù)，該電機(jī)可用于不同的應(yīng)用，如3D打印機(jī)、數(shù)控機(jī)床、自動門等..,

這種步進(jìn)電機(jī)根據(jù)定子繞組基本上分為兩類，

雙極步進(jìn)電機(jī)

雙極步進(jìn)電機(jī)每相只有一個繞組，只有4根引線連接兩組內(nèi)部電磁鐵線圈，可以通過改變通過電機(jī)線圈的電流方向來實現(xiàn)正向和反向步進(jìn)，這可能比單極更復(fù)雜，但H-電橋和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路使其變得非常簡單。

單極步進(jìn)電機(jī)

單極配有 5、6 和 8 根引線，并通過每相輸入的中心抽頭運(yùn)行一個繞組。此圖顯示了不同類型的單極步進(jìn)電機(jī)及其引線配置，請參閱步進(jìn)電機(jī)的數(shù)據(jù)表以了解更多信息。

電路原理圖

這里，定時器IC 555用作非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，并基于定時電阻器和定時電容器振蕩方波脈沖。

第二級是十進(jìn)制計數(shù)器IC CD4017級，該集成電路對來自定時器IC的方波脈沖進(jìn)行計數(shù)，并通過Q0、Q1、Q2和Q3輸出引腳提供步進(jìn)脈沖輸出，每個脈沖通過開關(guān)晶體管BC547饋送到步進(jìn)電機(jī)線圈。

當(dāng)脈沖和電源施加到步進(jìn)電機(jī)時，其轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的速度可以通過 VR1 電阻來改變。