单/双极性步进电机对比分析哪个好？

由于前段在学习arduino控制一个小马达的时候，才开始接触电机，不接触不知道，一接触发现电机的种类还挺多的。搞得我晕头转向的，然后花了点时间总结了arduino常常用到的记住电机，算是做个总结，也是给小白分享一下电机小知识，如果有错，欢迎纠正，我及时更正。 本篇帖接着上篇 arduino学习中常用电机科普之直流有刷电机与无刷电机继续科普总结，这次主要讲步进电机与伺服电机的工作原理。
步进电机工作原理

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。因此，步进电动机又称脉冲电动机。










从上图可以看出步进电机的转子周围均匀分布有电磁铁，可通过控制电磁铁来控制转子的步进运动。
是不是还看不懂呢？没关系，下面来更详细的讲解一下过程。





为了更方便看到过程，简化其中一个定子，如下图





通电以后线圈将产生电流，线圈电流将产生电磁场。如下图：





电子在电磁场作用下转动，如下图：





别小看转动的一步，其实是我们理解步进电机的一大步哟，哈哈。我相信你在回过头去看上面的动图，是不是就秃然大悟了呢？
”相” 就是说明步进电机有几个线圈（也叫做绕组）。
“线” 就是说明步进电机有几个接线口。
“极性” 分为 单极性 和 双极性。
电机也分单极性步进电机和双极性步进电机。
什么是双极性呢？
如果步进电机的线圈是可以双向导电的，那么这个步进电机就是双极性的，相反，如果步进电机的线圈是只允许单向导电的，那么这个步进电机就是单极性的。





上图中的线圈是可以双向导电的，所以是双极性步进电机。下图的线圈中间导线总是接电源正极（也有总是接电源负极的），所以对应得定子导线接地。





通电后受到电磁场得作用，转子移动。如下图：





此时这个线圈断电，另一个线圈通电后，转子又会发生改变。





可以发现，电源正极一直不变，通过改变电源接地得位置来改变电磁场，从而改变转子转动角度。
单/双极性步进电机比较






为什么？单极性的相对输出扭矩低，控制电路相对简单，双极性的输出扭矩高，控制电路相对复杂呢？

因为单极性步进电机通常只有一个线圈通电（所以控制电路相对简单），形成的磁场弱，所以输出扭矩相对较弱；双极性步进电机通常是多个线圈一起通电（所以控制电路相对复杂），形成的磁场强，所以输出扭矩高。
步进电机基本参数

额定电流：指电机可以长期连续工作的电流。
额定电压指电机可以长期连续工作的电压。
定位转矩：电机不通电时，转子自身的锁定力矩。
保持转矩：电机通电但没有转动时，定子锁定转子的力矩。
相数：可独立通电的定子电磁圈数。





由图可以看出其实A与A’，B与B’其实是串联在一起的，所以只有两个独立供电的线圈，这叫双相四线步进电机。看线圈一般看接线图就能看出来是几相的。
步进电机分类除了根据极性可以分为，单极性步进电机和双极性步进电机之外，还可以根据转子的磁性分为：永磁式步进电机，反应式步进电机（转子用软磁材料制成，软磁材料自身不具有任何磁性但易于被周围磁场吸引），以及混合式步进电机。
DFRobot的混合式步进电机-42BYGH40-1.8-22A，如下图不用多说，它是属于双极性混合式的步进电机。










下面来看看这种电机的转子解构。





转子内部，如下图：





里面由永磁铁，齿轮帽构成。齿轮帽本身不带磁性，但是和永磁铁挨一起了，就有了磁性，如下图：










看完了转子，我们来分析定子。转子有50个齿，定子只有48个齿。





为了便于理解，进行分组，如下图：





不知道大家发现了没有，上图中的定子和转子并没有对齐呀，其实只是为了方便大家理解，实际上它是对齐了的，如下图所示：










从下图可以看到它其实只有两个独立通电的线圈。




我们将两个线圈进行标识为A和B,如下图：





这是给线圈A通电，如下图：转子齿是S极，线圈会产生磁场，由于异性相吸，所以红色的定子齿会和转子齿相吸引，由于同性互斥，所以黄色的齿会排斥转子齿。





当给线圈A断电，线圈B通电后，如下图：





磁场发生了变化，定子会发生微小的转动，会转动1.8度，如下图：转子齿是S极，线圈会产生磁场，由于异性相吸，所以蓝色的定子齿会和转子齿相吸引，由于同性互斥，所以绿色的齿会排斥转子齿。





转子北极的原理和南极是完全相同的，为了节省篇幅就不做讲解了。
值得注意的是，这是半步进的驱动方式，走一步是1.8度，如果是两个线圈同时都通电的话，就是全步进驱动方式了，走一步是0.9度。这样控制更加精确。
步进电机优点

• 可精确控制电机输出轴角度
  
• 低速运行时 可获得更高的扭矩
  
• 开环控制/性价比高
  
  

步进电机应用场景

• 3D打印机
  
• 机器人等
  
  

电机驱动板

由于篇幅过长，并且本贴初衷是为了科普电机构造原理，就不讲程序了。
常用的电机驱动板有：A4988电机驱动板，TMC260驱动板等等。DFRobot也有很多相关的驱动板，这些驱动板，都有成熟的函数库，并且有详细的驱动使用说明。





下一篇将给大家带来直流伺服电机（舵机）科普，喜欢的点个关注吧