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有刷電機使用稱為電刷的電觸點，將電流傳輸到纏繞有金屬線圈的電樞。兩個永久定子磁鐵，一正一負，圍繞著電樞，使通電的電樞旋轉。當電樞旋轉時，其動能使電機軸轉動。
無刷電機使用多個定子電磁鐵，這些定子電磁鐵圍繞磁化轉子排列成一個環。電磁鐵可以按順序激活和停用，以控制轉子的轉動并將其定位在與每個磁鐵精確對齊的位置。在這里，轉子的旋轉產生了轉動電機軸的動能。

您仍然會發現有刷電機用于各種應用，例如家用電器。然而，無刷電機在許多其他領域已經取代了有刷電機，包括驅動我們世界的許多數字技術。

因此，了解如何控制步進電機以及如何構建安全有效地運行它們的控制系統非常重要。不過，在我們深入了解它們的工作原理之前，讓我們通過查看步進電機可以提供的優勢以及它們常用的應用來更好地了解步進電機的使用方式。

步進電機的基本設計示例。依次激活每個線圈以在轉子中產生一致且可預測的運動。

步進電機的優點

那么，為什么步進電機通常是機器人應用的有力選擇？以下是步進電機的一些主要優勢，使其非常適合機器人技術：

極其精確地控制電機運動和定位
維護要求比有刷電機低得多
在額定速度和負載下高效可靠地運行
比大多數有刷電機的占地面積小得多
產生的熱量和電氣噪聲比有刷電機少得多

單極步進電機一次只為定子線圈環的一側供電，價格也相對便宜，這使得它們在電子愛好者和專業人士中很受歡迎。雙極步進電機也將反向電流傳輸到與通電定子線圈相對的線圈，更復雜且更昂貴。然而，它們更平穩和更精確的操作使它們更適合工業應用。

步進電機并不是每個應用的正確選擇。如果您的項目需要電機以非常高的速度（通常超過 2,000 RPM）連續旋轉，則步進驅動器中的多個磁極可能會導致出現渦流損耗等情況，從而降低電機的效率。此外，在如此高的速度下轉子上的磨損可能會縮短其使用壽命。

步進電機的機器人應用

步進電機可用于多種應用，特別是在機器人領域。由于步進電機在精確定位和可靠的重復運動方面表現出色，因此它們非常適合需要長時間快速、準確運動的應用。步進電機的常見機器人應用包括：

數控加工
3D 和 2D 打印
紡織品制造
醫學影像設備
硬盤磁盤存儲系統

這些應用中的每一個都需要對轉子、激光器、打印頭、觸控筆和其他自動化機器人組件進行精確控制。步進電機提供工程師在設計機器人系統時所需的精確控制和可靠性。然而，要讓步進電機在這些應用中發揮其潛力，重要的是要牢牢掌握如何使用各種可用的電壓控制方法來控制步進電機。

從根本上說，控制步進電機的基本方法是以正確的順序為圍繞齒輪的線圈通電和斷電。改變線圈激活的順序和時間是工程師如何根據應用需求定制步進電機的操作。

電流流向步進電機的變化會產生極其細微和精確的定位差異。步進電機的精度取決于它的步數，即它在整個旋轉周期中占據的不同位置的數量。步數更多的步進電機將更能產生更精確的定位差異。步進電機可以達到的精度水平稱為電機分辨率。

步進電機控制的主要方式有：

Wave Drive/Single Phase: 一個線圈依次激活。這是步進電機最基本的操作模式，產生的分辨率最低。
全步：兩個線圈依次同時啟動，因此轉子的極位置實際上在每個線圈之間。此模式對于提高電機的扭矩和速度很有用，但它不會提高電機的分辨率，因為它仍然具有相同的步數。
半步：激活一個線圈，然后在下一步同時激活兩個線圈。因此，轉子一次移動半步，從一個線圈有效時的直接對齊位置到兩個線圈有效時的分裂對齊。這種模式實際上為電機的旋轉增加了額外的步數，因此它大大提高了分辨率。
微步：使用一系列正弦波脈沖激活線圈，這些脈沖以極小的步長移動轉子。由于能夠將轉子的完整步驟循環細分為多達 256 個步驟，因此該方法產生了此處列出的任何方法中的最高分辨率。微步進還可以非常平穩和一致地移動轉子，這有助于減少電機部件的振動、噪音和磨損。由于這些優點，微步進是當今應用中步進電機最常見的激活模式。

還可以通過增加線圈和極數來提高步進電機的分辨率。專業工程師使用的大多數步進電機都有大量的線圈，在微步之前提供大約 200 步?？傊@些選項為使用步進電機的工程師提供了許多不同的選項，以提高電機分辨率的精度。

每個步進電機都通過驅動電路進行控制，驅動電路將電流傳輸到線圈以激活它們。由于控制步進電機運動的整個機制始于電機控制器，因此根據最佳實踐仔細設計步進電機控制至關重要。在接下來的部分中，我們將快速了解在設計步進電機驅動器電路時需要了解的基礎知識。

步進電機驅動器選擇的基礎知識

步進電機的驅動器電路通常連接到微控制器，該微控制器為電機操作員提供對發送到線圈的電壓脈沖的控制。步進驅動電路有許多不同的選項，包括一些設計用于開箱即用的步進控制器型號。其他人則使用像 Arduino Uno 這樣的可編程微控制器，可以使用其開源步進控制庫對其進行編程。

選擇步進電機驅動電路時，從四個基本因素入手：

電壓：驅動器的額定電壓等級應多種多樣，因為您可能需要測試不同的電壓才能為您的步進電機找到最佳選擇。
電流：驅動器的額定電流至少應為步進電機額定最大電流的 1.4 倍。
微步進：驅動程序應該有多個步進分辨率選項，以便您可以嘗試不同的微步進設置。
最大步進脈沖：驅動器的額定步進脈沖數量應足以使轉子以您的應用所需的速度轉動。

選擇步進驅動器的其他因素

盡管步進電機的設計相對簡單，但指定正確的步進電機和設計合適的控制系統可能是一項具有挑戰性的任務。我們剛剛討論的四個因素可能會受到許多其他值得考慮的因素的影響。

在設計包含步進電機的系統時，請務必考慮以下因素：

當您的應用需要特定的轉速和扭矩時，即使考慮了上述條件，匹配正確的電機和驅動器也可能具有挑戰性。通常，匹配電機和驅動器的最準確方法是使用具有適當速度-轉矩曲線的工程軟件。從具有所需電壓和電流特性的驅動器開始，然后使用您的速度-轉矩曲線將其與電機匹配。
扭矩不匹配是步進電機驅動設計中的一個常見問題，可能導致失速（由于扭矩不足）或振動和噪音（由于扭矩過大）。要獲得正確的扭矩量，首先要計算電機需要執行的所需任務的負載扭矩。一旦您確定了所需的負載扭矩，請使用負載和電機扭矩匹配技術來確保您的電機扭矩處于最佳狀態。
請記住，步進電機需要全電流才能產生保持扭矩，這意味著步進電機在長時間保持在適當位置時會變得非常熱。確保在設計冷卻系統時考慮到這一點。
雙極步進電機需要比單極步進電機稍微復雜的驅動電路，因為它們需要同時將負電流傳輸到相反的線圈。如果您使用的是雙極步進電機，請確保您的驅動單元能夠控制雙極電機。
步進電機的控制單元應受到電氣外殼的保護，以使其免受環境危害。根據電機的運行環境，其接線盒接線可能會被灰塵和碎屑弄臟或被濺水損壞（以及許多其他可能的危險）。