重視控制的電機(jī)
一般來(lái)說(shuō)旋轉(zhuǎn)是電機(jī)最重要的功能，而停轉(zhuǎn)相對(duì)不那么重要。前面介紹的直流電機(jī)和之后將要介紹的交流電機(jī)，持續(xù)旋轉(zhuǎn)是它們的主要功能， 將停止作為一個(gè)可控制功能來(lái)實(shí)現(xiàn)并不容易。需要快速切換旋轉(zhuǎn) / 停止?fàn)顟B(tài)的伺服電 機(jī)，多采用閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電流控制、轉(zhuǎn)速控制和位置控制等。實(shí)現(xiàn)這種閉環(huán)控制功 能，除了需要各種用于反饋的傳感器，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整也是必不可少的，這會(huì) 使整個(gè)系統(tǒng)變得更復(fù)雜。相對(duì)的，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)非常簡(jiǎn)單的操作就可以達(dá)成一定角度（步進(jìn)）旋轉(zhuǎn) / 停止 這個(gè)目標(biāo)。它有時(shí)也被稱為脈沖電機(jī)。無(wú)刷電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁體的旋轉(zhuǎn)來(lái)同步順序切換定子線圈的相電流，以達(dá)到連續(xù) 旋轉(zhuǎn)的目的。如果沒(méi)有這種同步切換機(jī)制，那么轉(zhuǎn)子會(huì)隨著線圈中的電流旋轉(zhuǎn)一個(gè)角 度后直接停止。步進(jìn)電機(jī)利用了這種性質(zhì)，每次步進(jìn)一定的旋轉(zhuǎn)角度。步進(jìn)電機(jī)根據(jù)輸入脈沖每次旋轉(zhuǎn)一定角度（步進(jìn)角）。旋轉(zhuǎn)角度與輸入的脈沖數(shù)成比例，轉(zhuǎn)速則與脈沖的頻率成比例。通過(guò)控制輸入信號(hào)的脈沖數(shù)和頻率，可以直接 控制旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)速。不需要反饋信號(hào)傳感器，通過(guò)簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制即可控制電機(jī)旋 轉(zhuǎn)，所以這種電機(jī)的控制系統(tǒng)非常容易構(gòu)建。驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)，需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)為每個(gè)輸入脈沖信號(hào)切換電機(jī)的勵(lì)磁 線圈。步進(jìn)電機(jī)的特征如下：·需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)針對(duì)每個(gè)輸入脈沖信號(hào)切換電機(jī)各相線圈來(lái)勵(lì)磁 ·只根據(jù)輸入脈沖旋轉(zhuǎn)一定的角度（步進(jìn)角），因此電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度與輸入的脈 沖數(shù)有關(guān)，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率有關(guān) ·脈沖頻率過(guò)高或負(fù)載轉(zhuǎn)矩過(guò)大時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)失步。

分 類
根據(jù)電磁學(xué)結(jié)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)大致分為以下三種類型。
·VR（Variable Reluctance，可變磁阻）式電機(jī)
·PM（Permanent Magnet，永磁）式電機(jī)
·HB（Hybrid Type，混合）式電機(jī)
  VR 式
這類電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子都具有凸極結(jié)構(gòu)。凸極結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致氣隙磁阻發(fā)生變化，從 而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。因此，它被稱為可變磁阻式電機(jī)。這類電機(jī)不使用永磁體。這是一種相當(dāng)有歷史的古老的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在正在逐漸退出歷史舞臺(tái)，只在一些特殊 場(chǎng)合還有應(yīng)用，如需要比較大的轉(zhuǎn)矩等。可以說(shuō)，不使用永磁體是它的一個(gè)特點(diǎn)。
PM 式
如圖1所示。

圖1
這類電機(jī)被稱為永磁式電機(jī)，因?yàn)槠滢D(zhuǎn)子使用了多極磁化的永磁體。它的典型結(jié)構(gòu)如下。線圈骨架包圍在轉(zhuǎn)子外面。從軸向看，線圈從上到下都 被沖壓金屬制成的軛覆蓋。在轉(zhuǎn)子外的線圈內(nèi)側(cè)，上下交替地設(shè)置了梳齒狀磁極。當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)，上齒和下齒之間就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。梳齒按照 S 極、N 極……交 替排列。上述是單相的情況。根據(jù)相數(shù)，在適當(dāng)?shù)南辔徊钐幧舷轮睾线B接，就制成了這種 電機(jī)的定子。最后，在這樣的定子的中心孔中插入長(zhǎng)橢圓形的多極永磁體轉(zhuǎn)子。由于磁極梳齒的形狀酷似動(dòng)物的爪子（鳥(niǎo)獸的爪、蟹和蝦的螯等），因此也被稱 為爪極。磁軛和磁極部分可以通過(guò)沖壓制成，線圈可以纏繞在繞線管上，制造成本較低。低成本電機(jī)的需求量往往很大，大多數(shù)永磁式電機(jī)都是低成本電機(jī)。這種類型的電機(jī)， 兩相最為常見(jiàn)，三相也不少見(jiàn)。這種電機(jī)的步進(jìn)角度相對(duì)較大，兩相的常見(jiàn)角度為 15°和 7.5°，而三相的以 3.75°更常見(jiàn)。

HB 式
如圖 2 所示。

圖2
要減小 VR 或 PM 式步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，就要增加轉(zhuǎn)子和定子 的齒數(shù)和極數(shù)。而增加 VR 電機(jī)的定子齒數(shù)無(wú)疑會(huì)使線圈變復(fù)雜。此外，在爪極電機(jī) 中，轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)和定子的齒數(shù)有一定限度。
HB 式電機(jī)不通過(guò)磁化實(shí)現(xiàn)多極化， 而是將永磁體沿軸向方向磁化為 N 極、S 極， 在其外側(cè)夾上外周有小齒的轉(zhuǎn)子鐵心，制成 N 極、S 極沿軸向交替排列的多極轉(zhuǎn)子。定子則在不增加線圈磁極數(shù)量的情況下，在磁極靴部設(shè)置小齒。通過(guò)轉(zhuǎn)子和定子上的 這些齒實(shí)現(xiàn)高分辨率、高步進(jìn)角精度?？梢哉f(shuō)它是 VR 和 PM 式的組 合結(jié)構(gòu)，因此被稱為復(fù)合式。圖 3 是它的轉(zhuǎn)子和定子的外觀。

圖3
磁極小齒的精確加工，一般采用硅鋼片疊層工藝。HB 式步進(jìn)電機(jī)適用于要求高分辨率和高精度的應(yīng)用。其兩相的步進(jìn)角標(biāo)準(zhǔn)值為 1.8°。另外，還有兩相 0.9°，三相 0.6°、1.2°、3.75°，五相 0.72°等規(guī)格。
RM 式
這種步進(jìn)電機(jī)，在結(jié)構(gòu)上用圓柱形磁體代替 HB 式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。磁體上設(shè) 置有與 HB 式轉(zhuǎn)子齒數(shù)相當(dāng)?shù)臉O對(duì)數(shù)（S 和 N 極）的磁極。雖然它采用永磁體作為轉(zhuǎn) 子，但也可以被認(rèn)為是一種 PM 式電機(jī)。為了區(qū)分它與普通的 PM 式電機(jī)，一般稱其 為 RM（Ring-permanent Magnet，環(huán)形永磁）[7] 式電機(jī)。因?yàn)檗D(zhuǎn)子上沒(méi)有齒，氣隙的磁通分布接近于正弦波，因此它具有振動(dòng)小、噪聲低 的優(yōu)點(diǎn)，在微步驅(qū)動(dòng)時(shí)的步進(jìn)角精度也很高。但是，由于難以形成 高分辨率的交互磁極，所以它的基本步進(jìn)角大于 HB 式電機(jī)?，F(xiàn)在，具有 32 極（極對(duì)數(shù) 16）的轉(zhuǎn)子，基本步進(jìn)角為 3.75°的 RM 式三相步進(jìn) 電機(jī)已經(jīng)商品化了。它的外觀與 HB 式電機(jī)幾乎完全相同。

實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)
通過(guò)控制輸入信號(hào)的脈沖數(shù)和頻率可以直接控制旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)速。不需要反饋信 號(hào)傳感器，可以直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制。出于這個(gè)特點(diǎn)，利用它構(gòu)建控制系統(tǒng)非常容易， 因此它被廣泛用于簡(jiǎn)單的位置控制。特別是使用微控制器的各種系統(tǒng)，如移動(dòng)機(jī)器人，只需將微控制器產(chǎn)生的脈沖指 令輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，就可以輕松地控制電機(jī)移動(dòng)目標(biāo)距離。