因为不需要反馈系统，所以步进电机的优点是，低成本下可以获得不错的精度。

　　用一句话来说就是：给定子中的一组或多组线圈轮流通电，线圈中的电流产生磁场，转子为了寻找新的平衡位置，自动调整它的位置，对其磁场，从而实现运动。

　　你可能会说，所有电机都是这个原理，哈，没错，那么关于具体细节，我们后面慢慢用图来说。

　　其实此前，我对步进电机的原理了解得也不是很多，不过近好像对各类电机有点上瘾，所以特地多了解了一些，毕竟，我们时时刻刻都会和电机打交道。

　　但是因为我不是做电机的，所以若有不妥，或者不完善之处，还希望业内人士能够在留言区指出，补充。

　　今天的主要内容包括：步进电机的种类，构造，原理，步进电机的满步半步微步控制方法，步进电机的速度扭矩特性，以及步进电机的优缺点等。

　　左图是2相单磁对数定子，右图是2相偶磁对数定子，字母N和S表示当A+和A-通电时，定子产生的磁场。

　　这种结构，因为是用磁铁做转子，磁铁磁通量大，进而扭矩大，所以保证了较好的输出扭矩和制动扭矩。

　　所谓制动扭矩（Detent Torque），就是说，无论线圈是否通电，电机都会阻止旋转，这是因为永磁铁和定子之间的相互作用，会产生一定的扭矩，外力必须克服这个扭矩，电机才能动起来。

　　在电机生产家的产品目录中，有的也写为齿槽转矩（Cogging Torque），或者残余扭矩（Residual Torque）。

　　这种结构的不足之处在于，它的转速和步距（分辨率）不高，比如一步转动7.5°-15°，当然好处是体积可以做得很小，比如Φ20mm以下。

　　这种电机，转子是用软磁材料做成，转子多齿，不同的齿形分布，可以产生不同的分辨率，线圈通电吸引转子，引发转动。

　　这种结构的好处是，可以实现高速及高分辨率，而且没有制动扭矩，但是扭矩比永磁式小，不适用于小电机。

　　这种配置，使得混合型步进电机既有永磁式的优点，又有可变磁阻式的优点，特别是拥有高分辨率，高速，高扭矩。

　　混合型步进电机，通常每圈有200步，也就是步距为360/200=1.8°，这种类型的电机受限于制造，目前小只能做到Φ19mm。

　　在单极步进电机中，一根引线连接到线圈的中心点，这样连线的好处是，可以用相对简单的电路，来控制电流的方向。

　　如上图所示，中央引线Am连接到输入电压Vin中，如果开关1处于激活状态，则电流从Am流到A+。

　　如果开关2处于激活状态，则电流会从AM流到A-，从而在相反的方向上产生磁场。

　　这种方法的好处是，可以简化驱动电路，因为仅需要两个半导体开关，但缺点是一次仅使用电机线圈的一半，这意味着，如果在线圈中流过相同的电流，磁场强度将会减半，另外，由于必须连接更多的引线，所以这种电机更难以构造。

　　如上图所示，如果开关1和4处于激活状态，则电流从A+流向A-，而如果开关2和3处于激活状态，则电流从A-流向A+，在相反的方向上产生磁场。

　　这种连线方案，缺点是需要更复杂的驱动电路，但优点是可以实现电机扭矩。和单极步进电机相比，此种连线%的扭矩，也就是单极步进电机的√2倍。

　　根据通电相数，满步驱动又分成两种，一种是单相通电驱动，一种是双相通电驱动。

　　半步驱动的好处是提高分辨率，但是缺点是扭矩只有满步驱动的70%，当然，也可以通过优化线圈中电流大小，来提高半步驱动扭矩。

　　单相和双相交替通电，实现半步驱动的概念。单相通电时，线圈产生磁场，磁铁因为磁场的吸引力，指向通电的线圈。双相通电时，因为两个线圈都产生磁场，所以合成磁场让转子处于中间平衡位置。

　　因为电流大小不同，将会导致线圈产生的磁场强度不同，从而导致转子的平衡位置发生变化，这就是微步驱动的原理。

　　微步驱动原理：A线圈开始有电流，而B线圈此时电流为零，定子指向A线圈。A线圈慢慢减小电流， B线圈慢慢增加电流，因为磁场平衡位置的变化，定子慢步向B线圈转动。宏观来看，A线圈中电流变化接近Cos曲线，B线圈电流变化接近Sin曲线，直到A线圈电流减为零，而B线圈电流达到值，定子指向B线圈。

　　比如，一个200步的步进电机，如果用满电流驱动，那么它的步距是1.8°，而如果用一半的电流驱动，那么它的步距将会是0.9°。

　　步数越多，可以获得越平滑的运动，噪声也越小，不容易失步（丢步），但是代价就是扭矩大大减小。

　　所谓失步，就是电机没有按照命令走相应的步数，关于失步，后一小结中，我们专门来了解。

　　设计时需要留够余量，比如一般会考虑负载的加减速，运动线的拖拽力，还有步进电机本身的制动扭矩（Detent Torque，由于定子和转子之间的磁力，产生的扭矩，一般是保持扭矩的5%－20%），摩擦扭矩等。

　　有时制动扭矩起正作用，比如当电动机停止时，制动转矩可能是有益的，因为它会抵消运动中的转子的动量，因此更高的制动转矩，将有助于电动机更快地停止。

　　其实，微步驱动的主要作用在于减小机械噪声，减小共振，减小机械传动结构的磨损，实现更平滑的运动。

　　有研究表明，只有当载荷非常轻，微细步的扭矩足以驱动负载时，才可以提高精度。

　　实际上，把每整步细分成无限微步，就是两相永磁交流电机的运行原理，这个今天就不说了，日后我再开一篇日记来写吧。

　　现在，一些生产家，生产微步电机的努力方向，就是以牺牲保持扭矩为代价，减小制动扭矩，使得扭矩和位置关系更接近Sin曲线，而扭矩电流曲线更趋向线性。

　　超过该曲线所需的任何转矩或速度，将导致电机失步，所以电机必须工作在此曲线下方。

　　首先将步进电机空载旋转至某一速度，然后通过制动器，缓慢将扭矩逐渐施加到输出轴上，并使用扭矩传感器测量扭矩，直到电机失去同步（停止）的那一刻，记录此时施加在电机轴上的转矩。

　　如此反复，在每个速度点，重复此过程3次，然后，将三个扭矩值的平均值，用作将显示在速度-扭矩曲线上的值，在多个速度点重复此过程，即可创建完整的扭矩速度曲线。

　　此曲线表示，在施加负载的情况下，电机在没有任何加速或减速时，能够启动或停止的扭矩和速度组合。

　　简单理解，这是电机在施加负载，而不会失去同步性的情况下，可以瞬时启动，停止，或者反转的速度。

　　吸合转矩曲线，一般存在于老产品目录中，因为以前电机无法通过低共振区域运行，因此需要引入吸合转矩，来避免过大的共振。

　　但是，随着微步进技术的发展，现在不再需要以预定速度启动和停止，不必担心输入脉冲引起失步。

　　步进电机不能在此区域瞬间启动和停止，必须在启停区域启动，加速到吸合转矩曲线以上，或者在回转区域减速，然后在启停区域停止，否则将会失步。

　　尺寸为85mm的步进电机，在转速为1000r/min时，其扭矩相当于W伺服电机的额定扭矩(来源于东方电机)

　　从图中可以看出，步进电动机的转矩特性不平坦，低速/中速范围内的转矩曲线趋向于变得很高，而在高速范围内则变得极低。

　　对于短距离定位，低速/中速范围内的高扭矩至关重要，这也是步进电机的优点之一。

　　相比之下，伺服电机中速至高速范围内，可以产生平稳的转矩，适用于长行程操作。

　　（2）扭矩余量至少保持30％以上。当空间允许，而且可变因素较多时，可以选择更大的余量，比如50%，80%，甚至。

　　通常过大的运行步距，会导致高振荡，因为过大的步距，需要很大的扭矩，大扭矩又会产生大加速度，进而容易产生过冲和铃响（振荡）现象。

　　脉冲频率和自然频率相等时，发生振动。在上面的示例中，过度的振动导致在90度附近，没有停稳，然后电机响应下一个脉冲，离开90度附近，到达180度。（来自Microchip）

　　通常在100-200pps范围附近，有一个共振区域，在高阶脉冲速率区域中，也有一个共振区域。

　　共振和负载条件也有关系，一般可以通过半步或微步模式驱动电机，来减小共振，或者选择高于共振频率的驱动频率来驱动电机，以避开共振。

　　因为构造原因，如果步进电机在低速丢步，那么会丢多步，例如8，12，16等4的倍数，高速丢步时电机会停止，如果丢步低于4步，那么是电子换向（Commutation）引起的。
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