探索步进电机内部工作奥秘：从损耗分析到电路图解析与编码器应用揭秘

### 步进电机概述

何谓步进电机？步进电机的工作原理是，当电流通过定子绕组时，会产生一个矢量磁场。这个磁场会驱动转子转动一个特定角度，使转子上的磁场方向与定子磁场方向一致。每当定子矢量磁场转动一个角度，转子也会跟随磁场转动相应角度。每输入一个电脉冲，电机就转动一个角度并前进一小步。其输出的角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。通过改变绕组通电顺序，电机可以实现正反转。因此，通过控制脉冲数量、频率以及电动机各相绕组的通电顺序，可以精确控制步进电机的转动。

### 步进电机的损耗与效率

常见电机内部都有铁芯和绕组线圈，绕组具有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，即我们常说的铜损。若电流非标准直流或正弦波，还会产生谐波损耗。铁芯有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料、电流、频率、电压有关，这被称为铁损。铜损和铁损均会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机通常追求定位精度和力矩输出，效率相对较低，电流较大，谐波成分高，电流交变频率随转速变化，因此步进电机普遍存在发热现象，且比一般交流电机更为严重。

### 皖南电机三款步进电机电路图解析

#### 皖南电机电路图一

图1中RL1～RL4为绕组内阻，50Ω电阻为外接电阻，具有限流作用，同时改善回路时间常数。D1～D4为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管衰减，保护功率管TIP122不受损坏。在50Ω外接电阻上并联200μF电容，可改善电流脉冲前沿，提高步进电机高频性能。与续流二极管串联的200Ω电阻减小回路放电时间常数，使电流脉冲后沿变陡，电流下降时间缩短，提高高频工作性能。

#### 皖南电机电路图二

双极性步进电机驱动电路如图所示，使用八颗晶体管驱动两组相位。双极性驱动电路可同时驱动四线式或六线式步进电机，四线式电机虽只能使用双极性驱动电路，但可大幅降低成本。双极性驱动电路的晶体管数量是单极性驱动电路的两倍，其中四颗下端晶体管通常由微控制器直接驱动，上端晶体管需要成本较高的驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，无需箝位电路。

#### 皖南电机电路图三

图8展示的是使用L297（环形分配器专用芯片）和L298构成的具有恒流斩波功能的步进电动机驱动系统。

### 步进电机是否配备编码器

步进电机本身不带编码器。若想在步进电机上加装编码器，可以在步进电机双轴伸的后面轴上安装编码器。

### 步进电机加装编码器的方法与意义

步进电机作为执行元件，编码器属于反馈系统。编码器与步进电机配合使用，由PLC控制其运行。PLC发送脉冲指令给步进驱动器，驱动器为步进电机提供电流使其运行。当编码器检测到步进电机运行到所需位置时，会向PLC反馈信号，PLC根据反馈信号停止发送脉冲信号给步进驱动器，步进电机停止运行。实际上，编码器会不断向PLC反馈当前位置，PLC根据反馈值与目标值比较，调整转子转动角度。

步进电机加装编码器的意义在于，虽然步进电机可以精确控制，但属于开环系统，需要加装编码器实现闭环反馈控制；并可测量步进电机失步和旋转或移动速度，用于动态速度控制。关于开环控制需要编码器实现闭环反馈的说法可以理解，因为在使用过程中，偶尔会因为步进电机线连接不良导致无法正常工作。至于步进电机速度控制，通过控制脉冲频率即可实现调速，使用外部反馈似乎并非必要。