步进电机基础知识解说

步进电机最基本的工作原理是，按照精心控制的顺序给线圈通电，从而产生精确的运动。然而，步进电机如何在基本层面上工作的问题，可能难以把握。我们将深入探讨这一主题，解释一种简化的步进操作，然后拆开一台 NEMA17 双极步进电机，在实践中说明这些概念。

步进电机是如何工作的？：简化的电机图示

对于简化的双极步进电机，两组电磁体均由 H 桥控制。这样一来，它们就可以动态切换极性，排斥或吸引转子的永久磁极，如下所示：

另一种变体是可变磁阻电机，它使用与通电线圈对齐的未磁化铁芯。请注意，许多步进机使用四个以上的线圈。

在此图中，B 和 B1 连接在一起，因此当 B 通电时，它充当磁南极，B1 充当磁北极，将转子位置翻转到位。接下来，A1 通电为南极，以吸引转子的北极，A 通电为北极，以吸引磁体的南极。这将按照下面的模式继续进行。当这种单线圈模式通过图形绘制出来时，该模式类似于波，并且通常被称为“波驱动”序列。

顺时针模式（重启）

步进分辨率为 90º，这确实是一个非常粗糙的步进电机。另一种方法是同时给所有四个线圈通电，北极和南极依次排列。永磁转子指向有源电磁体之间，朝向其组合磁拉力的中心。这种全线圈操作比单线圈驱动设置产生更大的扭矩，但如果完全通电，则需要两倍的功率。

顺时针顺序如下：

顺时针模式（重启）

我们仍然以完整的 90º 步幅移动，但是两种选择都有可能将这两种步幅交错进行 8 步，而不是 4 步。这称为半步，如下图所示：

此处未列印更长的序列，但遵循类似的渐进式步幅运动。值得注意的是，所呈现的模式也可以反过来以逆时针方向步进。

最后，在微步进的帮助下，多磁体设置可以更进一步。在这种配置中，每个极点以模拟正弦模式递增供电，允许这 8 个单独的步幅进一步细分为 16、32，甚至可能更小的增量。

NEMA 17：每转 200 步

除上述简单的磁性排列外，常见的 NEMA17 步进电机每转有 200 个单独的全步。这使得它的单步分辨率为每步 1.8º (360º/200)。典型的 NEMA17 步进有 8 个线圈，在其圆周上交错排列，但其工作方式与上图所示的 A、A1；B、B1 模式相同。

在电机内部，转子磁铁的北极和南极轴向对齐，两端各有一个 50 齿钢帽，可实现永磁/可变磁阻混合运行。每组齿状钢帽齿与其相对的极性转子齿交错排列，每转可达 200 步。

使用半步进可以实现 0.9º 的分辨率，而微步进可以进一步倍增。考虑到步进电机的生产和销售价格通常远低于 100 美元，因此它们是一项惊人的创新。

NEMA 17 步进器：拆卸后深入研究

NEMA17 步进器非常容易拆卸：拧下电机背面的螺栓，然后在桌子或其他坚硬表面上敲击轴。虽然存在一些破碎的风险，但为实现我们的目的，牺牲一个廉价的装置似乎很值得。我更进一步，在外壳的顶部钻了一个洞来观察它的运行情况。

在下图中，您可以看到步进器的主要部件。左边是为便于查看而改装的底部。转子在中间，具有前面讨论过的偏移突起，还有顶部和底部的轴承，以便平稳运行。主电磁铁部分在右边，有 8 个线圈，垂直的磁齿突起用来依次吸引/排斥转子。右下方的波形弹簧使转子保持紧固，除此之外，还有几颗用于固定的螺丝有部分被遮挡住了。

接下来的两张图片显示了转子的更多细节，其中一个小圆盘磁铁被翻转过来以显示极性。之后是定子的特写，具有线圈和突起。

（再次）将所有零部件组装在一起，下图显示了转子和线圈对齐的切面图。Arduino Uno 和电机护罩使用 L293D 驱动芯片按顺序激活步进器。这些芯片特别适合步进器使用，因为它们实施两个 H 桥电路，允许线圈在任一方向上通电。

L293D 电机屏蔽连接到这个改良的步进器上，运行 Adafruit 的电机屏蔽测试代码的改进版本（速度较慢，每转 200 步，而不是默认的 48 步）。LED 连接在线圈输出端，一个方向为红色，另一个方向为蓝色。这使得红色在一个线圈方向亮起，蓝色在相反方向亮起。完成四个步进模式时，可直观显示电流流动情况：

双极步进电机：有用的运动控制

最终，您可能永远也不必考虑步进电机的内部结构，因为只要有合适的驱动器和软件，它们通常就能正常工作。同时，希望这篇文章能让我们对这些神奇的设备有更多的了解。虽然它们的使用有一些限制（例如，没有像伺服那样的内置反馈），但步进器通常是精确旋转控制的最佳选择。

如果您需要基于速度而非纯距离的反馈和调整，请查看我们关于如何实施 PID 控制设置的文章。