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步进电机及其工作原理入门指南

步进电机体积小但功能强大，能将电脉冲转化为精确的运动，因此在 3D 打印机和 CNC 机器等设备中必不可少。它们的主要优势在于无需额外的传感器即可实现精确定位，利用磁铁和电磁感应以规定的步长运动。它们的设计包括永磁、可变磁阻和混合类型，可满足各种性能需求。它们具有成本效益，易于控制，但需要正确布线、选择驱动器和定期维护，以避免过热或跳步等问题。在自动化和微型化趋势的推动下，全球需求持续激增，未来前景广阔。

步进电机是一种以小步移动的特殊电机。每次向它发送电信号时，它都会移动。你可以很好地控制它的运动。这使得步进电机不同于普通电机。

步进电机可以移动到有 高精确度.它们可以准确地停在你想要它们停的地方。

许多设备都使用步进电机，因为它们能以稳定的步长运动。

步进电机的全球市场正变得越来越大。到 2032 年，市场规模将达到 13.3 亿美元。

电机类型	成本范围（每轴）
步进电机	$40 - $80
伺服电机	$150 - $300（入门级）/ $500 - $1,000（工业级）

如果需要简单且可重复的运动，步进电机是一个不错的选择。

主要收获

步进电机以微小、精确的步长运动。这有助于它们在没有额外传感器的情况下到达正确的位置。当你需要稳定和可重复的移动时，这些电机就能很好地发挥作用。它们被用于 3D 打印机和数控机床等设备中。在挑选步进电机时，要考虑它需要移动多远。此外，还要考虑它的速度和精度。您还应该检查它的使用场所。这有助于您挑选 最适合您的项目.步进电机可能会过热或跳步。定期检查并使用正确的设置可以避免这些问题。现在购买步进电机的人越来越多。这使它们成为许多工作和行业的良好选择。

什么是步进电机

简单定义

A 步进电机 是一种特殊的电动马达。它以小碎步移动，而不是平滑旋转。每个信号都会使它转动一定的幅度。这可以帮助你很好地控制它的位置。人们使用 步进电机 在需要移动到精确位置的机器中。例如 3D 打印机和机器人。

下面是工程师们给出的两个正式定义：

定义	说明
步进电机	一种无刷直流电机，给它直流电压时，它会按级转动。它在开环系统中工作。您可以通过计算步数来控制其位置。
步进电机	一种电机，其轴转动的角度是固定的。这样，您就可以在没有传感器的情况下跟踪其角度。

�� 小贴士 您不需要为 步进电机.你只要数数台阶，就能知道它指向哪里。

主要功能

A 步进电机 的特殊功能使其非常有用。以下是一些重要功能：

精确定位： 你可以将它移动到一个精确的位置。它可以精确到 ±0.05°.这比许多其他电机都要好。

高响应性： "(《世界人权宣言》) 步进电机 对你的信号反应迅速。您发出的每一个脉冲，它都会随之移动。

低速时扭矩强劲： 在低速和中速时，它能提供良好的动力。这在您需要稳定运动时很有帮助。

使用寿命长： 大多数 步进电机 最后关于 10,000 小时.如果使用得当，有些设备可以使用数万小时。如果每天使用八小时，则可使用近五年。有些电机可以工作长达 20 年，这取决于轴承和使用方式。

简单控制： 您不需要反馈系统或传感器。只需计算步数，就能知道它的位置。

特点	步进电机	其他电机（如伺服电机）
停车精度	±0.05°（使用滚珠螺杆时为 ±1.4µm）	±10µm（接地），±20µm（轧制）
扭矩特性	中低速范围高	中高速范围持平
响应能力	高电平，与脉冲同步运行	编码器反馈造成的延迟

您可能会遇到以下问题 步进电机.以下是 常见问题 及其原因：

共同问题	可能的原因
步进电机致动器无法移动	电线未连接、驱动程序不良、脉冲信号错误、电源过弱或有东西阻挡。
运行时噪音或振动过大	负载连接未对齐、轴承老化、设置错误。
步进电机致动器过热问题	电流过大、空气不足、驱动程序设置错误。
步进电机致动器的意外停机	电源问题、热保护电路或软件问题。

检查电线和保持电机清洁可以避免大多数问题。

为您的项目使用正确的设置。

请注意： 您的 步进电机 使用寿命取决于您的使用方式和使用地点。良好的保养有助于延长其使用寿命。

步进电机的工作原理

结构：转子和定子

步进电机内部有两个主要部件。转子位于中间，在电机工作时旋转。它可以由磁铁或特殊铁芯制成。许多步进电机有三个转子部件：转杯 1、转杯 2 和永久磁铁。磁铁的南北极沿着转子的长度方向运行。

定子围绕转子旋转，不会移动。定子有许多磁极，通常有十个。每个磁极上都缠绕着一个线圈。当电流流经线圈时 定子产生磁场.这个磁场推动和拉动转子，使其运动。转子和定子的构造使您能以精确的小步骤控制步进电机。

小贴士 定子的线圈产生磁场，将转子拉到位。磁极和线圈的数量会改变电机每转一圈的步数。

工作原理

步进电机 步步为营.这是因为它的工作原理。定子线圈通电后会产生磁场。这个磁场拉动转子，使其与定子对齐。如果按一定顺序打开线圈，转子就会移动到下一个位置。每次改变哪一个线圈通电，转子就会跳到一个新的位置。这就是步进电机分步移动而不是平滑旋转的原因。

"步进电机是一种无刷直流电机，可将一整圈转动分成相等的步进。普通电机一直在旋转，而步进电机以小步为单位运动。每一步都匹配一定的角度。这使它们非常适合需要精确移动或定位的工作。

步进电机的主要工作方式是电磁感应。电流通过定子线圈时会产生磁场。该磁场与转子相互作用。通过以特殊的顺序打开定子线圈，电机就会以可控的小步转动"。

您可以通过发送电脉冲来控制步进电机。每个脉冲使转子移动一个设定的角度，称为一个步进。每一步的大小取决于转子和定子的构造。有些步进电机每步移动 1.8°，因此转一圈需要 200 步。其他步进电机的步进更小，控制能力更强。

转子和定子共同作用，使步进电机产生特殊的运动。定子的磁场抓住转子，并将其保持到发出下一个脉冲。这样，您就可以在没有额外传感器的情况下将电机移动到准确的位置。

特征类型	说明
动态特性	这些都会影响电机的启动或转动方式，并改变其工作速度。
静态特性	这些都会影响停止时角度的变化，并改变设备的精确度。
最大保持扭矩 (TH)	当电机通电但不移动时，扭矩最大。
拉出扭矩	这是电机在每种转速下能产生的最大扭矩。
角度 - 扭矩特性	这显示了电机轴受力时角度和扭矩的变化情况。

步进电机 即使在不动的情况下也能使用电力.它需要电流来保持位置。这会使电机发热，效率也比伺服电机等其他电机低，因为伺服电机只在移动或保持负载时使用功率。

如果您想了解步进电机的工作原理，请记住以下几点：定子通过给线圈供电产生磁场。转子与该磁场对齐，并随着获得电源的线圈的改变而移动。电机通过电磁感应和精心安排的电脉冲时间工作。通过这种设计，您可以很好地控制电机的位置和运动。

步进电机类型

主要有三个 步进电机类型.每种类型都有自己的工作方式。每种电机都适用于不同的工作。了解它们有助于您挑选合适的电机。

永久磁铁

永磁步进电机的转子上有一块磁铁。这种设计可以很好地控制运动。它还能在低速时提供强大的扭矩。这些电机结构简单，工作可靠。您可以在机器人和数控机床中找到它们。它们还用于 3D 打印机。医疗设备和电子产品也使用它们。

特点	应用
精确控制	机器人
低速时扭矩大	数控机床
设计简单，可靠高效	三维打印机
多功能性	医疗设备
在现代自动化中必不可少	消费电子产品

小窍门永磁步进电机运行平稳，易于安装。当您需要精确和可靠时，请使用它们。

可变电阻

可变磁阻步进电机是最简单的类型。 转子没有绕组.它由带齿的软铁制成。定子上的线圈产生磁场。输出功率时，转子会移动到最容易的位置。这些电机不会产生制动扭矩。转子不是磁铁。

转子使用软铁，有许多齿。

定子由硅钢制成，带有线圈。

转子的点取决于齿和磁阻。

定子的极数为偶数，便于启动和双向转动。

这些电机的扭矩较小，但转速较快。

它们会发出噪音，因此不适合在安静的地方使用。

注：可变磁阻步进电机非常适合学习。您可以将它们用于需要中速或高速的工作。

混合动力

混合式步进电机混合了其他两种类型的特点。它们具有高分辨率、高速度和高扭矩。转子有齿，并沿其长度方向被磁化。这种设计效果更好，但成本更高。

特点	混合式步进电机	永磁电机	可变磁阻电机
扭矩	增加制动、保持和动态扭矩	中等扭矩	降低扭矩
步骤 决议	分辨率更高（0.9°、1.8°）。	中等分辨率	分辨率较低
速度	适用于转速低于 1,000 rpm 的情况	更高的速度能力	速度能力有限
施工复杂性	由于采用混合设计，因此更加复杂	施工更简单	施工更简单
费用	复杂性导致成本较高	成本适中	降低成本

混合式步进电机最适合需要最高精度和扭矩的工作。它们在先进的机器和设备中运行良好。

提示：混合式步进电机效果最佳。对于需要谨慎控制和强劲动力的任务，请选择混合式步进电机。

步进电机接线

使用步进电机时，您需要知道如何 接线.接线会影响电机的运行方式和您的控制能力。您将看到三种常见的接线设置：4 线制、6 线制和 8 线制。每种类型在连接驱动器和控制运动方面都有不同的选择。

4 线制

四线步进电机的连接非常简单。电机内部有两个线圈。每个线圈有两根导线。将 A+ 和 A- 连接到一个线圈，将 B+ 和 B- 连接到另一个线圈。您可以通过查看数据表、使用欧姆表或扭转电线并感觉电阻变化来找到线对。这种设置可与许多驱动器配合使用，如 Buildbotics CNC 控制器。

两个线圈，每个线圈有两根导线

易于识别线对

可与常见驱动程序配合使用

提示：接线前一定要查看电机的数据表。这有助于避免错误并确保步进电机的安全。

6 线

6 线步进电机为您提供了更多选择。每个线圈都有三根导线：两端和中心抽头。中心抽头可用于 单极运行.在单极模式下，中心线与电源相连。这样，电流就可以单向流过线圈的两半部分。如果您想要更大的扭矩，可以忽略中心抽头，使用双极模式。在双极模式下，整个线圈双向通电。

您可以在单极和双极模式之间切换。这种灵活性可帮助您根据项目需求选择电机。

8 线制

8 线步进电机提供了最多的接线选择。您可以将导线串联或并联。这将改变电机在不同速度下的性能。步进电机 下表显示了每种接线方法对扭矩的影响:

布线配置	低速扭矩	高速扭矩
单极	中度	中度
双极半线圈	中度	良好
双极系列	高	中度
双极并联	高	高

数控铣床在低速时需要高扭矩。双极串联接线最适合这些机器。

如果需要非常高的速度，双极半线圈接线的效果会更好。

注：8 线制步进电机可让您选择最适合您应用的设置。您可以调整接线，以获得所需的扭矩和速度。

步进电机控制

控制信号

控制信号告诉步进电机如何运动。这些信号决定步数和方向。最常见的信号是脉冲信号和方向信号。每个脉冲使电机移动一步。方向信号显示电机转动的方向。使用现代控制器，每秒可以发送许多脉冲信号。这有助于快速改变速度和位置。

控制信号的外观各不相同。您可以使用 脉宽调制（PWM） 通过使每个脉冲变宽或变细来改变功率。正弦控制使用平滑的波来帮助电机安静、准确地运行。有些系统使用单端 PWM，即发送方波。其他系统则使用差分 PWM，即发送两个波来实现更好的控制。

控制信号类型	说明
脉冲宽度调制 (PWM)	改变脉冲宽度以控制功率，通常由微控制器控制。
正弦控制	采用正弦波，控制平稳准确。
单端 PWM	发送设定频率的方波信号。
差分 PWM	使用两种波形，控制更精确。

提示：您可以使用微控制器发出控制信号。这样就能轻松控制速度和方向。

驱动器和微控制器

驱动器将控制信号连接到电机。驱动器接收信号并向电机线圈发送正确的电压和电流。您需要驱动器，因为单靠微控制器无法提供足够的功率。不同的驱动器能提供不同的控制和性能。

驱动程序类型	优点	缺点
L/R（电阻控制）	设计简单，价格便宜	不适合高速行驶
斩波器（恒流）	工作效率高	电路更加复杂
微步驱动器	使运动非常流畅	可能会降低小步骤的扭矩
智能步进驱动器	提供实时诊断	更多费用

您可以使用 微控制器就像一个 PIC16F877A微控制器可为驱动器发出控制信号。通过微控制器，您可以对电机的运动方式进行编程。它打开驱动器，为电机提供动力。您可以在代码中设置速度、方向和步长。步进电机控制器同时使用微控制器和驱动器进行精确控制。

微控制器按照正确的顺序发出控制信号。

驱动器通过增强这些信号来移动电机。

您可以对微控制器进行编程，以完成特殊控制任务。

 注：根据电机和控制需求选择合适的驱动器，才能获得最佳效果。

选择步进电机

选择因素

在挑选步进电机时，您需要考虑以下几点。您希望电机适合您的项目。首先，弄清楚电机需要移动多远。其次，决定达到目标的速度。您还需要知道运动的精确度。有些项目需要很小的步进。而另一些项目则需要更大的步长。

以下是一些 需要检查的重要事项:

* 马达的行驶距离

* 允许移动的最长时间

* 马达停止的精确度

* 如果电机超过目标值

* 电机移动后的静止时间

* 基于步长和设计的步长分辨率

* 设置中的摩擦

* 影响启动和停止速度的惯性

* 所需速度和扭矩

* 扭矩惯性比，实现快速启动

* 扭矩更大，性能更佳

您还应该考虑一下马达的使用地点。高热会使电机温度过高，工作效率降低。潮湿和灰尘会缩短电机的使用寿命。如果您的工作环境恶劣，请选择 IP 等级高的电机。这样可以防止进水和灰尘。

小贴士请务必选择与您的项目和使用场所相匹配的步进电机。

常见应用

步进电机可用于许多领域.它们帮助机器准确移动并重复步骤。以下是人们使用它们的一些方法：

3D 打印机使用步进电机控制打印头和打印床。

数控机床使用步进电机进行切割和成型。

机器人使用步进电机来实现精确的动作和强大的动力。

电子和自动化领域也有步进电机。例如，智能手机摄像头使用微小的步进电机来实现快速清晰的对焦。 食品和药品工厂的贴标机使用步进电机，速度更快，精度更高.

应用	说明	精度
智能手机相机自动对焦（iPhone）	微型步进电机、快速对焦、无快门延迟	±0.05°
在线贴标机	标签更准确，工作更快捷	±0.5 毫米

由此可见，步进电机可以帮助许多设备更好、更频繁地工作。

步进电机将电脉冲转化为精确的步进.这样就能很好地控制位置。在许多项目中，您都可以减少失误，节省资金。在选择步进电机时，请考虑您希望它如何移动。此外，还要考虑速度、重量、步进模式和布线。

您可以阅读以下指南 关于步进电机.您还可以参加以下课程 掌握步进电机：Arduino 机器人课程 了解更多信息。

步进电机越来越智能，体积越来越小。它们也变得越来越强大。试试使用它们，看看你能做出什么！

常见问题

步进电机与普通电机有何不同？

步进电机以小步为单位运动。每一步都由电脉冲控制。普通电机旋转平稳。步进电机可让您设定精确的位置。您不需要额外的传感器。

提示：需要精确控制时，请使用步进电机。

没有驱动器能运行步进电机吗？

步进电机不能直接由微控制器驱动。驱动器可增强信号并提供足够的功率。请务必使用驱动器来保护您的电机并获得平稳的运动。

如何为项目选择合适的步进电机？

检查项目的速度、扭矩和精度需求。查看电机的步距角和接线类型。使电机与您的工作环境相匹配。使用数据表了解详情。

系数	检查什么
速度	所需转速
扭矩	载荷重量
准确性	台阶角度

为什么步进电机在使用过程中会发热？

步进电机在保持位置时也会耗电。这会使电机发热。大电流或气流不畅都会导致过热。确保使用正确的设置并保持电机冷却。

步进电机有哪些常见问题？

可能会出现漏步、噪音或过热现象。检查接线、驱动器设置和电源。清洁电机并使用正确的设置可避免大多数问题。

注：定期检查有助于延长步进电机的使用寿命。