什么是步进电机？步进电机类型用途及步进电机的工作原理

在本指南您可以了解更多关于人工智能、自动化和控制方面的信息。

在本指南中，我们将简要概述什么是步进电机以及步进电机的工作原理，然后介绍市场上一些常见的步进电机类型以及它们所适用的各种日常角色。

步进电机是一种无刷同步直流电机，与许多其他标准类型的电动机不同，它不仅仅会无限旋转，直到施加给它的直流电压关闭。

相反，步进电机是一种用于精确起停的数字输入/输出设备。它们的结构使得通过电流通过的线圈可以快速序列地打开和关闭。这使得电机可以每次转动一小部分的角度，我们称之为“步数”。

步进电机的设计目的是将单个完整的旋转分解为许多更小（并且基本相等）的部分旋转。为实际应用方便起见，它们可以用来指导步进电机移动一定的角度或旋转。最终结果是，步进电机可以将微小精确运动传递给需要高精度的机械部件。

步进电机通常是数字控制的，作为开环运动控制定位系统中的关键组件。它们最常用于需要极高运动控制要求的保持或定位应用中，因为它们能够提供更明确的旋转位置、速度和转矩。

在普通的有刷直流电动机中，电压被施加到引线上，引线将以一定的速度在一个固定的磁铁外壳（即“定子”）内旋转。 在这种设置中，旋转的引线线圈（即“转子”）有效地变成了电磁铁，并根据磁吸引和排斥的原理在电动机的中心快速旋转。由于刷子（电接点）和一个名为换向器的旋转电开关的组合，线圈上的电流方向可以快速交替。这就保证了只要装配件上施加足够的电压，转子线圈就可以连续单向旋转。 这种电动机的潜在缺点是它会持续旋转并旋转任意次数，直到电源切断。这使得很难精确控制电动机的停止位置，因此不适合需要更精确控制的应用。手动控制电动机的开关电流无法提供所需的启停精度，从而无法执行微小精确运动。 步进电机的设置与此相当不同。步进电机的构造方式是在一个固定的线圈外壳（即此处的定子）周围排列一系列有齿状的电磁铁，并在中心旋转。通过由步进电机驱动器控制的脉动电流，将确切的一步移动转化为这个类似齿轮的有齿部件围绕中心轴的运动。 每个步进电机脉冲将转子移动一个精确且固定的角度。当电流在电动机外部按顺序切换到排列的线圈之间时，旋转部分可以根据需要完成完整或部分的旋转，或者可以在任何步骤处突然停止旋转。 总的来说，步进电机相对于普通的直流电动机的真正优势在于，它们可以快速定位到已知且可重复的位置或间隔，并保持所需的时间。这使得它们在机器人技术和印刷等高精度应用中非常有用。

在本节中，我们将更详细地了解其中一些常见应用。

几乎所有常见的3D打印机零件清单中都会包括某种类型的步进电机。这是因为在3D打印机中使用步进电机可以以高精度和低成本的方式执行非常精确的动作和旋转，同时将数字扫描的信息转化为物理的3D对象。 在3D打印机中，步进电机和驱动器可以实现沿X轴、Y轴和Z轴的精密控制运动，可以单独或同时进行，这意味着可以实现极高的运动和定位精度，而无需编码器和其他附加软件或传感器。 大多数3D打印机将使用多个步进电机-它们通常位于建筑平台和熔丝挤出机中。它们用于帮助拉入熔丝并控制材料在整个打印过程中持续、均匀地供应给机器。

步进电机是用于大多数类型的CNC机械的伺服电机的替代选择。CNC应用包括在工厂和制造环境中，通过预编程的计算机软件控制机床的操作和物理运动的各种制造过程。

尽管在CNC应用中，步进电机常被视为比伺服电机更“经济”的选择，但这是对过时技术的过度简化，并不总是准确的描述现实情况。相对于相同功率的伺服电机，步进电机通常确实更便宜，但现代版本往往同样具有多样性。因此，步进电机更常见，广泛应用于各种机器和系统，从机床到台式计算机和汽车。

CNC步进电机与伺服电机相比，还具有一个非常重要的优势，就是它们不需要编码器。伺服电机比步进电机更复杂，更难理解和操作，而其复杂性的一部分是它们包括编码器，这比大多数其他可靠的伺服电机组件更容易出故障。步进电机不需要编码器，理论上比伺服电机更可靠。

此外，步进电机也是无刷的（不像伺服电机），这意味着只要它们的轴承保持良好，它们就不需要定期更换。

对于自学基本计算机编程技能的家庭爱好者来说，将步进电机添加到树莓派单板计算模块非常常见。

树莓派入门套件通常以非常简单的配置出售，其目的是让个人用户根据他们自己的学习顺序自由添加所需的其他部件，并通过使用Python等编程语言学习控制新组件来扩展他们的技能集。

在树莓派用户社区中，学习操控和控制小型廉价步进电机常被视为是学会控制LED开关循环和其他简单开关或蜂鸣器之后的一个逻辑下一步。实际上，通过将几个这样的步进电机按顺序链接起来，家庭爱好者就可以开始创建一个简单的可编程机器人。

市场上有许多适用于这种应用的合适类型的步进电机，从极为廉价的5V版本到易于与树莓派主板上的引脚接口的版本都有。

步进电机在高端摄像技术中广泛应用于各种不同的应用中。它们既用于控制极度精确的内部部件，例如镜头自动对焦和光圈设置，又用于安全摄像头和远程监控系统的外壳和外部机械部件。

特别是，步进电机和电动相机滑轨能够实现摄像机定位装置的非常平滑的运行，这意味着从安全设备拍摄的镜头镜头捕捉到的图像可始终保持可靠地不受由于摄像机在其视野范围内周围的物理运动引起的潜在问题图像失真的影响。

步进电机还为摄像机和视频监控定位系统提供了一些其他有吸引力的功能，包括静止时提供充分的扭矩，对所有移动输入具有极其精确和立即的响应时间，预定移动的一致可重复性，以及由固定步长定义的简单开环控制。

步进电机是一种非常多功能、可靠、经济实用和精准控制精确电机运动的方法，它允许用户在各种应用和行业中提高程序化运动的灵巧性和效率。因此，它们构成了一种重要且广泛使用的自动化和控制装备的子集。

由于市场上出售的步进电机品牌、尺寸、扭矩额定值、设计风格和预期应用如此之多，在计划购买时，准确找出哪种配置适合何种用户环境至关重要。