步进电机机械结构

详细介绍了针对了混合式两相步进电机的机械结构，步进角数据。

背景

本文主要说明目前主流的步进电机中的机械构造，以及旋转的原理和步进的原理。方便学习步进电机的过程中对机械结构的理解，主要需要加深对定子和转子的结构的理解。关注于为什么他的固定步距角是1.8度。

步进电机等效图

如果说等效线圈，无刷电机是等效为三组线圈，间隔60度。而步进电机的等效线圈是2组，是天然90度相切。

另外步进电机常用的是内转子，无刷电机外转子比较常用。

步进电机的线圈等效图可以参考如下：

等效图中步进电机通过控制AB两相的电压，设置A+,A-,B+,B-进行控制。和无刷电机不一样的是，步进电机的2相线圈是完全隔开的，而无刷电机的三个线圈是类似星型连接在一起的。所以步进电机实际上是控制四个引脚的电压，控制两相电流。

但是上图只能算步进电机的电流等效图，可以理解为电角度控制图，在后续的步进电机控制中，也是基于上述图中的电角度进行控制，如果是使用脉冲控制，那么一步就是电角度的90度（无刷电机一步电角度是60度）。

步进电机四步转动

在电角度中，转一圈只需要四步，每一步是电角度90度。并且每一步都是A,B相的两个磁场合成出来的磁场，这样比每一步只有一相有磁场来吸附转子会更有力。

上述图，通过改变AB相电流，就可以吸附转子以每步90度进行转动。这一整个流程就是步进电机最核心转动的电路控制。不管后面机械结构如何变化，其本质都是像上述图一样的进行转动。

步进电机机械结构

但是实际上，我们常听说的步进电机就是以1.8度每步转动，而不是90度。为了实现这样高精度的步进角度，主要得益于步进电机的机械结构的设计。下面将针对混合式步进电机结构进行说明。

定子结构

定子结构主要由A,B相线圈组成，这也是主流的步进电机的结构。通过下图这种线圈连接，

下图可以看到这种线圈连接后实际控制的磁场方向

可以看到上图 2.合成磁场方向由A/B电流决定。可以看出现在A/B线圈合成的磁场方向构成了一个二维坐标系 ，从机械结构上就是正交的，采用之前说的控制方式（整步控制）也只能控制出四个主要磁场方向，所以增多线圈组其实对电角度没有提升，只是会在一些高扭矩步进电机用更多线圈增加电流利用，更多的线圈组可以有更大的扭矩上限，但是这不是本章重点，因为步进电机实际的结构设计核心体现在转子上。

注：上图说的半步，和xx细分，foc不在本章讨论范围内，后续会在步进电机控制方案中进行详细说明。

转子结构

真正实现步进电机高精度，低步距角转动的方式，主要是转子的机械结构设计。

步进电机转子分为永磁式、反应式、混合式三种类型，常用的是混合式HB，也是目前主流的步进电机的结构。它主要是由两个N和S极的齿杯结合构成，并且齿距错开，如下图所示。

混合式步进电机转子由N侧齿杯和S侧齿杯组成，每侧各有50个齿。由于两侧齿杯机械上错开半个齿距（3.6°），所以俯视叠加后表现为N、S齿交错排列。对于50齿转子，一个同极性齿之间的机械间距为7.2°。两相AB绕组通过改变电流方向产生4个稳定磁场位置，将一个7.2°齿距分成4步，因此每一步机械角度为1.8°。其中0°、3.6°、7.2°是N/S齿对齐位置，而1.8°、5.4°是中间稳定位置，不代表实际齿中心。

采用这种方法，刚好可以对的上步进电机四步转动结构。每改变一次AB相电压的状态（一共四个状态），步进电机的这种交错的齿槽，就可以分别吸附到四个状态的角度。从而把一步90度电角度转化为了一步1.8度机械角度。

机械运动

上面分别讲述了定子和转子具体的物理结构，也都清楚了定子和转子分别的机械结构，但是实际上把定子和转子放到一起，来研究每一步的关系，就会发现一个理解上的误区。

理想情况：转子的每个齿槽对应到一个定子的磁场方向

但是实际情况，转子是N和S分别50个齿，定子是8个线圈，他们都不是倍数关系，无法做到定子和转子的齿槽一一对应。而且研究转子的具体磁场方向非常困难。可以实际在纸上画一下研究转子每个齿槽和定子磁场的对应关系就能体会到。

实际上：转子和定子每个吸附角度的情况是不具体的，无法很好的进行角度描述的，每一次转动都是转子整体的一个磁场相对到定子磁场方向上一个最合适的位置，至于这个最合适的位置相互之间的移动总是1.8度的。

但是换个角度理解定子和转子的关系，反正已知定子的磁场方向总是90度变化的，而转子的这个机械结构就抽象成定子的磁场90度变化一次，转子就移动1.8度。而这个1.8度就是通过上述分析转子结构得到的。

只是说现在不能很好地研究这个1.8度和定子磁场的一一映射的关系。它是转子整体磁场的一种移动表现，不能具体到转子的齿槽

这个1.8度，真是每一步都会非常精准移动1.8度吗，实际上并不是，这就跟步进电机制造过程中磁钢，齿槽一些非线性误差造成的影响，导致会在某些齿槽切换1.8度的时候，会固定偏差±零点零几度左右，这部分就留到后面说明步进电机非线性电角度补偿再说了。