步进电机的那些事儿
自1920年英国人发明出了无须闭环还馈可以是控制转角的转动电机——步进电机，（万恶的资本主义国家啊）从此发现了数字电机的新大陆；经过100多年的发展，步进电机已广泛应用于高响应，高精准定位，高灵活的复杂机械系统中。
混合式步进电机按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。其中两相混合式步进电机约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角一般为1.8°，使用256细分驱动器后其理论步距角可细分到0.007°，由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变转动精度和运行效果。
1.8°两相混合式步进电机原理：
混合式步进电机的原理图
步进电机构成：转子、定子、线圈绕组
转子：在2两相4线1.8°的步进电机中，转子为圆柱形强永磁体，S、N极在两端面，S、N极圆柱面两边各均匀分布50个突出的磁极（如图），同极磁极之间的夹角为7.2°，异极磁极之间的夹角为3.6°。
步进电机转子
定子：一般步进电机定子有8个磁极，两个磁极之间的夹角45°。每个磁极都由绕组线圈来控制磁极的极性
步进电机定子
由转子驱动原理图可知转子每经过1.8°便有S、N磁极各一对和定子完全重合，转子转动下一个角度是由下一相定子激磁吸转子齿实现的，产生的最下夹角就是电机的固有步距角。
4节拍驱动(整步驱动)是两相步进电机最简单的驱动方式，运行时转动最小角度是一个固有步距角1.8°驱动电流对绕组供电是一个个脉冲，变化幅值为0-Ie.其驱动电路波形图。
整步激磁电流波形
整步激磁电流波形
细分驱动技术
步进电机工作时虽然固有步距角是1.8°，但它不表示电机工作的真实步距角，真实的步距角和驱动电流有关。
无细分驱动：无细分驱动也从整步驱动，电机按固有步距角整个步距角或1/2步距角转动，对相电流供电时只有接通或者断开，没有对相电流的大小进行细化控制，假设电机额定电流为3A那么每一节拍都是满电流通电即电流脉冲是0-3A的方波。
细分驱动：细分驱动技术是在对AB相电流大小精确控制的前提下对两相电流同时进行精确控制，通过合成磁场来驱动转子，此时AB相电流大小和转子转动的角度有严格的计算关系。例如10细分驱动时是指电机转动一个固有步距角分成10步来走，在图4中转动1.8°只需B相电流一个脉冲就可完成驱动，而10细分驱动时转动第一个1.8°就需要AB相同时增加10个脉冲，其电流图（如图6）。同一相中相邻的两个脉冲电流大小大约只有额定电流的1/10，如图所示，在细分驱动时在保证每次转动角度相同的前提下电流变化量是不均匀的，相电流的大小和转动的角度成正弦关系。
混合式两相步进电机10细分驱动电流理论波形图I&a
10细分驱动电流波形图
在实际使用时细分数一般为
2的N次方，如4、8、16、32、64、128、256细分（用于2相步进电机）
3的整数倍，如6、9、12、24、48细分（用于3相步进电机）
相电流实际波形越接近理论波形，则运行越平稳，单步误差越小。
1>关于步进电机发热
步进电机内部都是由铁芯和绕组线圈组成的。
1>>绕组电阻发热：通电线圈会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比（发热功率Q=I²Rt）。
2>>谐波（杂波）损耗：线圈电流不只有驱动电机的方波或正弦波，在驱动信号中还会产生谐波或者其他杂波。
谐波：
杂波发热
3>>铁损：线圈在铁心产生的磁场有涡流效应，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，称为铁损。
4>>涡流效应：在交边磁场的导体会产生感应电动势和感应电流，导体电阻率越小感应电流越大，发热量越大（（其中主要是焦耳热，发热功率Q=I²Rt））。在恒流（电流一定）驱动时R越小发热越小。
5>>为了降低涡流效应电机定子的制作工艺：
1）.采用很薄的硅钢片叠压而成.硅钢是掺有小量硅的钢, 其电阻率比普通钢的要大，使产生的感应电流减小，从而产生的焦耳热减少。
2).把硅钢制成薄片叠加借用片间的绝缘漆切断涡流的道路以进一步减小涡流的热效应.计算表明, 涡流产生的热量与片的厚度平方成正比, 因此, 硅钢片做得越薄越好。
绕组电阻发热和谐波损耗称为铜损，铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。谐波的大小主要和电机的驱动器有关。
6>>电机的耐热程度：
主要取决于绕组表面的绝缘等级。一般内部绝缘性能在高温下(一般内部不超过130度，电机便不会损坏，而表面温度会在90度以下，步进电机表面温度在70-80°都是正常的。
减小电机发热：
1）细分驱动器电流波形尽量接近正弦，谐波少，电机发热也会较少。减少铁损的办法不多，电压等级与之有关，高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升，但也带来发热的增加。 （2）应当选择合适的驱动电压等级，兼顾高带性、平稳性和发热、噪音等指标。 （3）减少电机的发热减少发热，就是减少铜损和铁损，减少铜损有两个方向，减少电阻和电流，这就要求在选型时，尽量选择电阻小和额定电流小的电机，对两相电机，能用串联电机的就不用并联电机，但是这往往与力矩和高速的要求相抵触。
2>关于步进电机的扭矩：
1>>定子磁场强度计算：在步进电机内部中一个线圈绕组相当于一个带铁芯的螺线管，其通电后产生的磁场强度计算方程：
B = μ0*μr*N*I……………①
B产生的磁场强度
μ0 真空磁导率
μr 金属芯的相对磁导率
N 单位长度的线圈数,
I 电流
在电机材料上主要是通过钢片的相对磁导率μr来影响电机的性能。
不同机身长的电机，绕组的导线和磁极长度不同，电阻不同，在同等电压下的电流也不同。
2>>扭矩
扭矩是指步进电机运转时从输出轴的平均力矩。扭矩越大，输出轴转速的变化也越快。扭矩随步进电机转速的变化而不同，转速太高或太低，扭矩都不是最大，只在某个转速时或某个转速区间内才有最大扭矩，这个区间就是在标出最大扭矩时给出的转速或转速区间。最大扭矩一般出现在步进电机的中、低转速的范围，随着转速的提高，扭矩反而会下降。扭矩的单位是牛顿•米（N•m）或公斤•米（Kg•m）。
绕组线圈的匝数与力矩的关系：在1.8°42步电机中，当机身长相同时，单相通电产生的磁场强度越强，电机的静扭矩就越大公式①中可以通过增大单位长度的线圈数N、钢片相对磁导率μr和绕组电流来增大磁强，生产时钢片相对磁导率μr各个厂家相差不大，不同额定电流规格的电机就体现在绕组线圈上，铜丝直径越小，单位长度的线圈数N就会越大，但同时整个绕组的电阻也会增大，相同的电压下通过绕组的电流也会减小，又会减弱磁场。
释：牛顿•米: 表示力臂为1米施加1牛顿的力所产生的扭矩。
步进电机的最大扭矩与电压、电流、自身电阻的设计有关，在某一转速下，这些系统的性能匹配达到最佳，就可以达到最大扭矩。另外，步进电机的功率、扭矩和转速是相关联的，具体关系为：功率=K×扭矩×转速，其中K是转换系数。选择步进电机时也要权衡一下怎样合理使用。
3>>绕组铜丝直径的粗细对扭矩的影响：
两个步进电机除绕组铜丝直径存在差异外，其余参数一致。此时电机扭矩的大小取决于通电时转子产生磁场的强弱。
绕组空间一定 假设：单相绕组内无空隙，全部空间被铜线填满，横截面大小假设为1
1）假设①电机铜线直径为a 则①电机单相中最多绕组铜线匝数 n1=1/[π*(a/2)²]
2) 假设②电机铜线直径为2a 则②电机单相中最多绕组铜线匝数 n2=1/[π*a²]
则n1:n2=4:1 说明电机①中线圈的匝数是电机②的4倍
假设电机②的单相绕组线圈的长度为L,则电机①中单相绕组线圈长度为4L
R=ρL/S
ρ为物质的电阻率,单位为欧姆米（Ω. m).
L 为长度,单位为米（m）
S 为截面积,单位为平方米（m2）
电机①单相绕组线圈电阻R1=ρ4L/[π*(a/2)²]
电机②单相绕组线圈电阻R2=ρL/[π*a²]
R1：R2=16：1
B = μ0*μr*N*I……………①
4>>步进电机的力矩会随转速的升高而下降：
因为当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；脉冲频率越高，反向电动势越大。在反向电动势的作用下，电机的相电流随脉冲频率（或速度）的增大而减小，从而导致力矩下降。步进电机连续运行时所产生的转矩成为动态电磁转矩，步进电机的动态特性可以用动态转矩T与脉冲频率F之间的关系来描述，成为矩-频特性。
步进电机转速与扭矩关系
步进电机驱动信号频率在一个值内电机的扭矩是比较平稳的几乎不会变化，当频率超过一个临界值时，转矩会接近线性下降。随着脉冲频率F的升高，步进电机的最大输出转矩要下降，这主要是由于定子控制绕组电感的影响而造成的。因为控制回路总有一定的电感，控制绕组时电流的变向、通断，电流均需一定的上升或下降时间。当脉冲频率较低时，绕组通电和断电的周期较长，电流的波形比较接近于理想矩形波，电机负载能力较强。当脉冲频率升高后，通、断电周期缩短，电流来不及上升到稳定值就开始下降，脉冲频率越高，绕组中的平均电流越小，因而产生的平均转矩就要大幅度下降，电机的负载能力也就大幅度下降。
此外，当脉冲频率增加时，电机铁芯中的涡流损耗随之增加，使输出功率和转矩下降。当输入脉冲频率增加到一定值时，步进电机已无法带动任何负载，而且只要受到很小的扰动，就会振荡、失步，甚至停转。
