在機械設計中，我們經常用到步進電機。

比如，用步進電機驅動同步帶軸，實現直線運動。

再比如，用步進電機驅動滾珠絲杠軸，也可以把旋轉運動轉換為直線運動。

因為不需要反饋系統，所以步進電機的最大優點是，低成本下可以獲得不錯的精度。

其實，除了機器中的運動平臺，生活中也可以發現步進電機的存在。

比如打印機，掃描儀，相機，ATM機，3D打印機等等。

步進電機的應用（不包括圖中機器人）

那么，步進電機的原理是什么？

用一句話來說就是：給定子中的一組或多組線圈輪流通電，線圈中的電流產生磁場，轉子為了尋找新的平衡位置，自動調整它的位置，對其磁場，從而實現運動。

你可能會說，所有電機都是這個原理，哈，沒錯，那么關于具體細節，我們后面慢慢用圖來說。

其實此前，我對步進電機的原理了解得也不是很多，不過最近好像對各類電機有點上癮，所以特地多了解了一些，畢竟，我們時時刻刻都會和電機打交道。

了解了之后，這不趁今天周末，我就來分享一下。

但是因為我不是做電機的，所以若有不妥，或者不完善之處，還希望業內人士能夠在留言區指出，補充。

今天的主要內容包括：步進電機的種類，構造，原理，步進電機的滿步半步微步控制方法，步進電機的速度扭矩特性，以及步進電機的優缺點等。

1.步進電機的類型

和其他類型的電機一樣，步進電機也是由定子和轉子構成。

在步進電機中，定子主要負責產生磁場，轉子負責跟隨磁場。

定子的主要特征包括相數，磁對數，以及線圈配置。

相數是獨立線圈的數目，而磁對數表示每一相會產生多少對磁場。

2相步進電機是最常使用的，而3相，5相不常用。

左圖是2相步進電機，右圖是3相步進電機定子示意圖

左圖是2相單磁對數定子，右圖是2相偶磁對數定子，字母N和S表示當A+和A-通電時，定子產生的磁場。

因為步進電機的構造會影響步距，速度，扭矩，以及控制方式。

所以，接下來我先說說幾種不同步進電機的構造。

它們的區別主要在于轉子是怎么做的。

（1）永磁式轉子（Permanent Magnet＝PM）

第一種，永磁式轉子，這種是最簡單，也是最便宜的。

它的結構如下圖，中間的轉子是用永磁鐵做成。

當定子線圈通電產生磁場，轉子磁鐵自動對齊磁場，跟隨旋轉。

永磁式轉子步進電機

線圈通電，中間轉子自動對齊線圈產生的磁場（圖片來自Microchip）

線圈通電，中間轉子自動對齊線圈產生的磁場（圖片來自Faulhaber）

這種結構，因為是用磁鐵做轉子，磁鐵磁通量大，進而扭矩大，所以保證了較好的輸出扭矩和制動扭矩。

所謂制動扭矩（Detent Torque），就是說，無論線圈是否通電，電機都會阻止旋轉，這是因為永磁鐵和定子之間的相互作用，會產生一定的扭矩，外力必須克服這個扭矩，電機才能動起來。

在電機生產廠家的產品目錄中，有的也寫為齒槽轉矩（Cogging Torque），或者殘余扭矩（Residual Torque）。

當然，有優勢也就有劣勢。

這種結構的不足之處在于，它的轉速和步距（分辨率）不高，比如一步轉動7.5°-15°，當然好處是體積可以做得很小，比如Φ20mm以下。

（2）可變磁阻式步進電機（Variable Reluctance＝VR）

可變磁阻式步進電機結構