步进电机

定义

步进电机是一种把电脉冲信号转化为角位移或线位移的电动机，属于控制用特种电机^[1]。普通电动机通电后连续旋转，步进电机则在有脉冲输入时一步一步转动，没有脉冲时在绕组激励下由气隙磁场把转子锁定在原有位置，因而具有运转与定位两种状态^[4]。

由于输出量随脉冲离散变化，它又被称为脉冲电机或阶跃电机，可以看作在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机^[5]。在电机分类上，它常被列为直流电动机、交流电动机之外的第三类电动机^[4]。

原理

步进电机的基本原理与电磁铁相通，依靠气隙磁导的变化产生电磁转矩^[1]。以三相反应式结构为例，定子上有 6 个磁极，相对的两个磁极绕同一相绕组，三相绕组接成星形；转子由硅钢片叠成，只开齿而不绕绕组^[1]。

工作时由环形分配器等电子开关器件经功率放大，使各励磁绕组按顺序轮流接通直流电源，在空间形成阶跃变化的旋转磁场，转子被最近的磁极吸引而逐步转动^[3]。A、B、C 三相按次序轮流通电一次，转子转过一个齿，每步转过的角度称为步距角；把通电次序倒过来，转向随之相反^[4]。

设输入脉冲数为 $N$，步距角为 $\theta_b$，则转子转过的角度为 $\theta = N\theta_b$；脉冲频率为 $f$ 时，转速约为 $n = 60f\theta_b/360$ 转每分。可见改变脉冲数量可控制角位移，改变脉冲频率可控制转速与加速度，改变绕组通电相序可控制转向^[1]。

按励磁方式，步进电机可分为磁阻式、永磁式与混合式，按相数可分为单相、两相、三相和多相；增加相数可减小步距角、改善转速—转矩特性，但会使结构复杂、体积增大，常用的是 3 至 6 相产品^[1][4]。按输出转矩还可分为快速步进电机与功率步进电机，前者转矩在 N·cm 级，后者可达 N·m 级^[4]。

发展历程

步进电机的原始模型出现于 1830 年至 1860 年间；1870 年前后开始有以控制为目的的尝试，用于氢弧灯电极的输送机构，这被认为是最初的步进电机^[1]。20 世纪初，它在电话自动交换机中得到较多使用，随后又在缺少交流电源的船舶、飞机等独立系统中推广^[2]。

20 世纪 50 年代后期，晶体管的发明被用于步进电机，使其数字化控制更容易实现；80 年代以后，廉价微型计算机普及，控制方式更加灵活多样^[2]。早期控制器由分立元件或集成电路搭建，调试安装复杂、改型需重新设计电路；计算机通过软件产生控制脉冲后，软硬件结合成为主流^[3]。

中国的步进电机研制始于 20 世纪 70 年代初，70 年代中期至 80 年代中期进入成品化阶段，新品种与高性能电机不断出现；永磁材料、半导体和计算机技术的发展进一步扩大了它的应用范围^[1]。

应用

步进电机是机电一体化的关键执行元件之一，广泛用于各类自动化控制系统^[3]。它无需模数转换即可把数字脉冲直接变为角位移，被视为数控机床的理想执行元件，可用作数控铣床进给伺服机构的驱动电机，兼有传递转矩与传递信息的作用^[3]。

在通用机械与办公设备中，它被用作自动送料机的马达、软盘驱动器的马达，也见于打印机、绘图仪等设备中移动打印头或输送纸张^[3][6]。此外还用于扫描仪、自动取款机、硬盘与磁带驱动器以及相机的转动控制等中小型装置^[6]。

在工业与商业领域，需要控制旋转角度、速度、位置和同步性的场合常见其身影，包括办公自动化、安防、医疗设备、纺织机械、舞台灯光和售票机等^[7]。

局限

步进电机不能在常规条件下直接接入直流或交流电源运行，必须配用专用的驱动电源即步进电机驱动器，控制系统还需环形脉冲信号与功率驱动电路配合^[1]。这使它的使用涉及机械、电机、电子与计算机等多方面知识，调试门槛较高^[8]。

与闭环控制的直流伺服电动机相比，步进电机在控制精度、调速范围和低速性能上均有不及^[3]。在非超载条件下，其转速与停止位置只取决于脉冲频率和脉冲数，但负载一旦超出承载能力就可能失步，因而精度要求很高的场合通常选用伺服电机^[6]。

连续旋转并非其长项，此时表现不如无刷直流电机；它的长处在于按需转到指定角度、停止、启动或反转，并能较快完成这些动作^[6]。在不失步的前提下，步距值不受电压、负载条件和环境温度变化影响，也不存在误差长期积累^[9]。

参见

• 伺服电动机 —— 闭环控制电机，常与步进电机在定位场合中对照选用。

• 无刷直流电动机 —— 结构与驱动方式相近，被认为是步进电机的前身。

• 数控机床 —— 步进电机的主要应用场合之一。

• 步进电机驱动器 —— 为步进电机分时供电、按序切换绕组电流的专用装置。

• 脉冲信号 —— 步进电机转动的输入量与控制依据。