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MOONS'在步进电机领域拥有丰富的设计开发、生产制造和市场销售方面的经验，提供丰富的步进电机产品系列，能满足不同客户与应用需求。MOONS'步进电机以高品质、高性能享誉海内外，广泛用于专业打设备印、智能舞台灯光、纺织机械设备、银行设备、工业自动化、电子设备、半导体设备、医疗器械、测量设备等领域。MOONS'愿与您携手，将您的创意变为可能！ MOONS' 混合步进电机选型工具让您成为一名电机专家，快速帮您找到适合工作要求的产品，您只需简单输入工作点的转矩/速度值，即可轻松获得符合要求的电机。（请点击访问）
■ 步进电机生产线
步进电机基本结构
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件，通过控制施加在电机线圈上的电脉冲顺序、频率和数量，可以实现对步进电机的转向、速度和旋转角度的控制。配合以直线运动执行机构或齿轮箱装置，更可以实现更加复杂、精密的线性运动控制要求。步进电机一般由前后端盖、轴承、中心轴、转子铁芯、定子铁芯、定子组件、波纹垫圈、螺钉等部分构成，步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，是由缠绕在电机定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在定子齿槽上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。
步进电机基本结构 步进电机工作原理
| 步进电机驱动器根据外来的控制脉冲和方向信号，通过其内部的逻辑电路，控制步进电机的绕组以一定的时序正向或反向通电，使得电机正向/反向旋转，或者锁定。 以1.8度两相步进电机为例：当两相绕组都通电励磁时，电机输出轴将静止并锁定位置。在额定电流下使电机保持锁定的最大力矩 为保持力矩。如果其中一相绕组的电流发生了变向，则电机将顺着一个既定方向旋转一步（1.8度）。同理，如果是另外一项绕 组的电流发生了变向，则电机将顺着与前者相反的方向旋转一步（1.8度）。当通过线圈绕组的电流按顺序依次变向励磁时，则电 机会顺着既定的方向实现连续旋转步进，运行精度非常高。对于 1.8度两相步进电机旋转一周需200步。 两相步进电机有两种绕组形式：双极性和单极性。双极性电机每相上只有一个绕组线圈，电机连续旋转时电流要在 同一线圈内依次变向励磁，驱动电路设计上需要八个电子开关进 行顺序切换。 单极性电机每相上有两个极性相反的绕组线圈，电机连续旋转时只要交替对同一相上的两个绕组线圈进行通电励磁。驱动电路设计上只需要四个电子开关。在双极性驱动模式下，因为每相的绕组线圈为100%励磁，所以双极性驱动模式下电机的输出力矩比单极性驱动模式下提高了约40%。 |  |
| 2相（双极性）步进电机 | |
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| 2相（单极性）步进电机 |
步进电机驱动电路
步进电机的性能在很大程度上是由步进电机驱动电路决定的。以下是步进电机与Adafruit Motor Shield驱动电路（用于Arduino）的关键点，同时还将探讨步进电机驱动电路的一些普遍考虑因素：• 步进电机与Adafruit Motor Shield：
1）Adafruit Motor Shield是一个驱动和步进电机的便捷套件。2）它采用了TB6612 MOSFET驱动器，每通道电流能力为1.2A（峰值可达到3A，每次约20ms）。
3）套件支持驱动多达4个DC电动机或2个步进电动机，同时优化了电机压降性能、增加了反激二极管，并采用了专用的PWM驱动芯片来管理接口上的所有电动机。
• 步进电机驱动电路的关键点：
1）快速反转定子极：为了扩展扭矩曲线的速度范围，需要更加快速地反转定子极，此操作受限于绕组电感。2）增加驱动电压：为了克服电感带来的限制并快速切换绕组，需要增加驱动电压。
3）限制电流：高电压可能产生更高的电流，因此需要限制电流以防止损坏电机或驱动电路。
4）反电动势（back-EMF）：当电机转子转动时，会产生与转速成比例的正弦电压（即反电动势）。此反向电压将削弱正向电压，进而影响电流的动态变化。
• 步进电机驱动电路的考虑因素：
1）电感：电感影响定子极的切换速度，从而可能影响电机的最高速度。2）电阻：电机的直流电阻和电感一起影响电机的动态特性。
3）驱动方式：步进电机的驱动方式（如单四拍、双四拍、八拍等）影响其步距角和旋转特性。
4）散热：步进电机由于追求定位精度和力矩输出，容易发热，设计时需考虑散热问题。
步进电机驱动方式
• L/R驱动电路
L/R驱动电路也被称为恒压驱动电路，其工作原理是在每个绕组上施加恒定的正或负电压来控制步进电机的位置。然而，需要明确的是，步进电机轴上施加的扭矩实际上是由绕组中的电流决定的，而非电压。绕组中的电流I与其施加的电压V之间的关系受到绕组电感L和绕组电阻R的影响。根据欧姆定律，电阻R决定了在给定电压下的最大电流，即I=V/R。同时，电感L则通过公式dI/dt = V/L决定了绕组中电流的最大变化率。在电压脉冲的作用下，电流会随电感迅速增加，直至达到V/R的稳定值，并在脉冲的持续时间内保持这一水平。
因此，当使用恒压驱动控制时，步进电机的最大速度受到其电感的限制。当电机转速达到一定水平时，电压U的变化会比电流I的变化快。简单来说，电流的变化率与L/R的值成正比（例如，10mH的电感和2欧姆的电阻大约需要5毫秒才能达到最大扭矩的约2/3，或者大约24毫秒才能达到最大扭矩的99%）。为了在高速条件下获得高扭矩，需要采取一系列措施，包括提高驱动电压、降低绕组电阻以及减小绕组电感。
在使用L/R驱动方案时，为了控制低压电阻电机，一种常见的做法是在每个绕组上串联一个外部电阻，并使用更高的驱动电压，但这种方法会导致在电阻中产生不必要的功率损耗和热量，从而降低了系统的整体效率。尽管这种方案简单易行且成本较低，但在性能上却不尽如人意，通常被视为次优选择。
为了克服这些限制，现代电压模式驱动器采用了更为先进的技术。它们通过向电机相位施加近似正弦波形的电压来实现更高效的驱动。这种电压波形的幅度随着步进频率的增加而相应增加。如果调整得当，这种驱动策略可以有效地补偿电感和反电动势对电机性能的影响，从而在保持较低设计复杂性的同时，相对于电流模式驱动器提供不错的性能。但这种电压模式驱动器的设计复杂性和成本也会相应增加。
• 斩波驱动电路
斩波驱动电路也被称为恒流驱动电路，其核心在于在每个绕组中生成受控的电流，而非简单地施加恒定的电压。这种电路特别适用于双绕组双极性电机，其中两个绕组可分别驱动以产生顺时针（CW）或逆时针（CCW）的电机扭矩。在每个绕组上，供电电压以方波的形式施加，而电机绕组中的电感则起到平滑电流的作用。实际电流的达成率取决于方波的占空比。在大多数应用中，控制器会提供双极性（+和-）电压。因此，当占空比为50%时，绕组中的电流为零；占空比为0%时，电流达到一个方向上的完整V/R（电压/电阻）值；占空比为100%时，则在相反方向上达到完整电流。控制器通过测量与绕组串联的电阻两端的电压来监测电流水平。
尽管这种方法需要额外的电子设备来测量绕组电流并控制其通断状态，但它能使步进电机在更高的扭矩和速度下运行，相较于传统的L/R驱动器具有显著优势。此外，斩波驱动电路允许控制器输出预定的电流水平，而非固定的值，从而增加了控制器的灵活性和精确度。为了满足这些高级需求，市场上已经广泛提供了集成化的斩波驱动电子元件。
步进电机电流波形
步进电机是多相同步电机，理想情况下由正弦电流驱动。全阶波形与正弦曲线大致相似，这也是电机振动的主要原因。为了更更精确地模拟正弦驱动波形，目前已经开发了多种驱动技术：单相驱动、两相驱动、半步进和微步进。• 单相驱动
在此驱动模式下，每次只激活一个相。它的步数与两相驱动相同，但电机的扭矩将明显小于两相驱动扭矩，因此其应用较为有限。若转子有25个齿，旋转一个齿位需要4步。从而每转需要100步，每步的角度为3.6°（360°/100）。• 两相驱动
此方法是步进电机的常见驱动模式。在这种模式下，两个相位始终处于开启状态，因此电机能够输出其最大额定扭矩。当一个相位关闭时，另一个相位会立即开启，以保持电机的连续运行。虽然驱动波形与单相驱动波形相似，但两者在扭矩表现上存在差异。• 半步驱动
在半步驱动中，驱动器会在两相和单相之间交替切换，从而提高电机的角分辨率。然而，电机在全步位置（仅单相上电时）的扭矩会减小至约70%的额定扭矩。为了补偿扭矩的减少，可以通过增加绕组中的电流来提高扭矩。半步驱动的优点在于无需改变驱动电子设备即可实现。• 微步驱动
通常所说的微步距驱动即正弦余弦驱动，其中绕组电流近似于正弦交流波形。斩波驱动电路是实现正余弦电流的常见方法。正弦-余弦微步驱动是常见的形式，但其他波形也会被采用。无论使用哪种波形，随着步距的减小，电机的运行将变得更加平稳，从而显著减少电机运行过程中可能出现的振动。此外，通过加装减速机，可以进一步提高电机的定位分辨率。步进电机专业用语
• 牵入力矩（启动力矩）
牵入力矩是指在电机已励磁的状态下，能够以一固定频率启动并同步运行而不发生丢步现象的最大转矩。它反映了电机在启动阶段需要克服的力矩，包括转子惯量的加速转矩、外接负载的摩擦转矩等。因此，牵入力矩通常小于牵出力矩。• 牵出力矩（运行力矩）
牵出力矩是指在给定频率下，电机能够同步运行且不发生丢步的最大转矩。它体现了电机在恒速下所能产生的最大力矩。在恒速运行时，由于转子内部的动能和惯性载荷的作用，牵出力矩通常会大于牵入力矩。• 定位力矩（Detent Torque）
定位力矩是指在步进电机未通电的情况下，定子对转子产生的锁定力矩。它表示了步进电机在静止状态下，其内部机制使转子保持在特定位置的能力。定位力矩有助于电机在受到轻微外力时保持其位置，特别是在需要高精度定位的应用中。• 保持力矩
保持力矩是指步进电机在停止运转时，电机仍能维持的最大转矩。它反映了步进电机在没有外界动力源的情况下，保持其静态稳定性的能力。保持力矩与电机型号、结构、驱动方式等因素有关，是评估电机静态性能的重要指标。较高的保持力矩意味着电机具有更好的静态稳定性，适用于需要维持固定位置或防止失步的应用场合。步进电机特性
• 准确位置控制 步进电机以一个固定的步距角转动，就像时钟内的秒针，这个角度称为基本步距角。鸣志提供多种步距角的步进电机，分别有0.72°、0.9°、1.2°、1.5°、1.8°、3.6°、3.75°等，还有更多机型步距角并没有一一列举在此，更多详情请联系鸣志公司。• 简单的脉冲信号控制 需高精度定位的系统如下所示。控制器发出的脉冲信号可以准确地控制步进电机的转动角度和速度。 |  |
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• 什么是脉冲信号？
| 脉冲信号是一个电压反复在ON 和OFF 之间改变的电信号。 每个ON/OFF周期被记为一个脉冲。单个脉冲信号指令使电机出力轴转动一步。 对应电压ON 和OFF 情况下的信号电平被分别称为“H”和“L”。 |  |
• 转动距离与脉冲数成比例关系
| 步进电机的转动距离正比于施加到驱动器上的脉冲信号数（脉冲数）。 步进电机转动（电机出力轴转动角度）和脉冲数的关系如下所示： |  |
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• 转速与脉冲频率成比例关系
| 步进电机的转速与施加到驱动器上的脉冲信号频率成比例关系。 电机的转速[r/min] 与脉冲频率[Hz] 的关系如下（整步模式）： |  |
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• 高力矩、小体积
步进电机的重要特征之一是高力矩、小体积。这些特征使得电机具有优秀的加速和响应，使得这些电机非常适合那些需要频繁启动和停止的应用中。
鸣志也有带减速机型电机可供选择，以满足低速下更高力矩的需求。
• 能够频繁启动/ 停止 | • 相同尺寸下的伺服电机与步进电机的速度力矩特性比较 |
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• 电机在停止位置自保持 绕组通电时步进电机具有全部的保持力矩。这就意味着步进电机可以在不使用机械刹车的情况下保持在停止位置。 |  |
| 一旦电源被切断，电机自身的保持力矩丢失，电机不能在垂直操作中或施加外力作用下保持在停止位置。在提升和其它相似应用中需要使用带电磁刹车的电机。 |  |
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| 鸣志创新性地将伺服控制技术融入步进电机之中，创造出具有全新优异性能表现的运动控制终端—步进伺服。步进伺服驱动器大大提升了步进电机的运行效果，具有控制更智能、运行更高效、结构更紧凑、定位更准确、运行更快速和平滑等诸多特点。 |
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步进电机应用领域
鸣志的步进电机在各种设备中得到了广泛应用，为这些设备提供精确的运动控制。其中包括：• 办公自动化：打印机、扫描仪、复印机、多功能一体机等；
• 舞台灯光：光射方向控制、调焦、色变和光斑调控、灯光特效等；
• 银行领域：ATM机、票据打印、银行卡制作、点钞机等；
• 医疗领域：CT扫描仪、血液分析仪、生化分析仪等；
• 工业领域：纺织机械、包装机械、机器人、输送、组装流水线、贴标机等；
• 通信领域：信号调节、移动天线定位等；
• 安防行业：监控摄像头的运动控制；
• 汽车行业：油阀/气阀控制、车灯转向系统等。