步进电机

翁德沃彭：

介绍
永磁步进电机（PM型）
可变磁阻步进电机（VR）
混合式步进电机

内嵌：
步进电机，顾名思义，可以分几步进行调整。步骤的数量可能会有所不同。根据应用的不同，步进电机每转可调整 4 至 200 步，这相当于 0,8° 转子旋转的受控旋转。
步进电机的旋转角可以非常精确地确定。步进电机基本上是一种同步直流电动机无碳刷，因为部件和控制方法非常相似，但它与直流电机的区别在于以下特性：

步进电机在低速时具有较大的扭矩，因此可以很快地从静止状态启动；
步进电机的运动缓慢且非常精确。采用直流电机，可长时间快速运行；
步进电机的转速和位置由来自控制单元的控制信号控制。这意味着不需要位置传感器或其他形式的反馈；
与无刷直流电机相比，步进电机产生的噪音更大，振动也更大。

步进电机在汽车中的许多地方都使用到，使零件产生受控的电动运动。以下是步进电机的三种应用，即：用于怠速控制、仪表板中的指针以及用于通风控制的加热器阀。

用于怠速控制的步进电机：
汽油发动机的节气门在静止时是关闭的。需要一个小开口来让发动机空转。该通道还必须是可调节的，因为温度和负载（例如，当空调泵等消耗设备打开时）会影响所需的吸入空气量。
在现代发动机中，节气门的位置是精确控制的。我们还发现节气门完全关闭的系统，空气通过旁路控制引导到节气门周围。空气循环可以通过PWM控制的直流电机或步进电机来实现。请参阅有关的页面风门.

下面的三张图片是用作怠速控制器的步进电机。旁路的开度由带有锥形端的轴控制。转动步进电机中的电枢会导致蜗轮旋转。

逆时针转动：蜗轮向内转动（旁路开口大）；
顺时针旋转：蜗轮向外旋转（旁路有小开口）。

仪表板：
仪表板通常配备多个步进电机，用于油箱液位计、车速表、转速表、发动机温度，在下面的示例中，还配有转速表下方的消耗表。宝马的仪表板如下图所示。

在仪表板的后部（内部），我们找到了五个带有黑色外壳的步进电机。在右侧，我们看到有问题的步进电机没有外壳。在这里您可以清楚地看到两个线圈和四个连接（左两个，右两个），通过它们我们可以识别双极步进电机。步进电机可以小步调节指针针。调整命令来自组合仪表中的 ECU。

下图显示了步进电机驱动器的输入和输出。这是仪表组中的 IC，它将输入信息转换为步进电机的输出：

油箱中的燃油液位（油箱浮子）；
车速（变速箱或 ABS 传感器中的脉冲发生器）；
发动机转速（曲轴位置传感器）；
温度（冷却液温度传感器）。

在框图中，红色和绿色箭头显示步进电机线圈上的连接（A 到 D）。

炉房导风阀：
我们经常在电动通风阀中找到步进电机炉灶房。下图为空气温度阀照片（左）和安装位置图（右）。步进电机通过机构操作阀门，图中的数字 4 表示枢轴点。如果步进电机功能不正确或更换后，必须在 ECU 中获知起始位置和终止位置。通过诊断设备，我们可以获知阀门停止的情况，以便ECU知道阀门何时完全打开或关闭，这样它还可以确定应该驱动步进电机多长时间来部分打开阀门。

永磁步进电机（PM型）：
这种类型的步进电机具有带永磁体的转子。这种步进电机的优点是结构简单，因此成本低廉。以下是有关该步进电机操作的信息。

步进电机的转子可以完成一整圈旋转，中间有几个步骤。在下面四张图像的示例中，每次旋转显示四个中间步骤。因此转子可以每 90 度停止一次。左侧步进电机位于位置 1，转子的北极在顶部，南极在底部。为了使转子顺时针移动 90 度，端子 C 和 D 的线圈的电流被中断，而另一个线圈则通电。这可以在第二个步进电机中看到。左边的极靴变红（北极），右边的极靴变黑（南极）。这会将转子置于位置 2。

这对于设置 3 和 4 也适用； C 和 D 之间的线圈在位置 3 处通电，但电流的流动方向与位置 1 中的相反。现在上极靴为北极，下极靴为南极。转子现在将位于位置 3。对于位置 4，底部线圈再次通电，转子将旋转到位置 4。

四速步进电机每90度可停止一次。如果这对于使用步进电机的应用来说还不够，也可以设置为八步。这可以使用相同的步进电机实现，但在这些中间步骤期间，两个线圈将同时通电。

下图显示了这些中间步骤。这些是步骤 5 到 8。如您所见，设置 5 位于步骤 1 和 2 之间。这同样适用于步骤 6（步骤 2 和 3 之间）等。在这些中间步骤期间，电流流过两个线圈。
当转子必须转动到步骤 5 时，电流从 A 到 B 的下线圈和从 C 到 D 的上线圈中都有电流流动。所以现在有两个北极（红极鞋）和两个南极（黑极鞋）。转子将位于位置 5。

要将转子进一步旋转 45 度（到位置 2），再次应用具有四个位置的步进电机图。底部线圈将再次通电，使电流从 A 流向 B。
如果步进电机进一步转动 45 度（到位置 6），则上面的图像将再次应用，两个线圈都通电。

步进电机始终由控制装置控制。控制装置的驱动器IC中的晶体管提供极靴的电流供应和放电。控制单元包含八个晶体管。通过正确控制这八个晶体管，步进电机将在四步或八步内完成一转。旋转可以是两个方向；左和右。控制装置确保正确的晶体管导通。

在图像中，我们看到一个由控制设备控制的步进电机。晶体管1和4导通。为了阐明控制，晶体管和电线被涂成红色和棕色。晶体管 1（红色）将端子 A 连接至正极，晶体管 4（棕色）将端子 B 连接至接地。

由于晶体管2和3未导通，因此没有电流流过它们。如果是这种情况，就会发生短路。
在图像中，步进电机进一步旋转一点。为此，晶体管6和7也必须导通。

为了让步进电机继续旋转一点，晶体管1和4停止导通，只有晶体管6和7仍然导通，使步进电机处于位置3。

对于下一步，晶体管 2 和 3 必须打开。

可变磁阻步进电机（VR）：
与永磁步进电机一样，可变磁阻步进电机也包含带线圈的定子磁极。它与前面讨论的步进电机不同，其齿形转子由铁磁金属（例如镍或铁）制成。这意味着转子没有磁性。这种类型的步进电机目前很少使用。

一侧 (A) 上的定子线圈的缠绕方式与另一侧 (A') 上的线圈相反。这当然也适用于 B 和 B' 等。转子的齿被定子线圈通电产生的磁通量所吸引。

与永磁步进电机相比，VR 步进电机的优点是：

由于没有永磁体，VR步进电机的生产对环境的危害较小；
无需反转定子线圈的极性。这允许更简单的控制；

缺点是：

低扭矩；
准确度低；
产生更高的噪音。因此，包括汽车在内的应用数量受到限制；
由于没有永磁体，静止时没有保持扭矩。

混合式步进电机：
混合式步进电机具有带永磁体的齿形转子和带有八个线圈的齿形定子，转子和定子之间有很小的气隙。转子由两个相互偏移 3,6° 的齿轮组成。转子内部有一块大磁铁。两个钢齿轮压在磁铁上。由于磁铁的存在，齿轮也会变得有磁性。一个齿轮被磁化为北极，另一个齿轮被磁化为南极。转子上的每个齿都成为一个磁极。因此我们谈论“北极转子”和“南极转子”。由于齿轮的移动，北极和南极在旋转过程中会交替。每个齿轮有 50 个齿。

当步进电机驱动器通过定子线圈传导电流时，线圈就会变得有磁性。线圈的北极将吸引转子的南极，导致转子转动。

下面的三张图显示了混合式步进电机两相（红色和橙色）的控制。

A. 步进电机的转子已旋转至当前位置（见图），因为所示线圈已被设置为磁性的。

绿色齿轮是南极，它被定子上的北极吸引；
转子和定子之间的齿在转子被拉动的位置处彼此对齐。为了清楚起见，在所有三种情况下这些点都用黑色标记表示；
红色齿轮位于绿色齿轮后面。由于齿轮彼此相对旋转，因此可以看到红色的齿。转子上的北极被定子上的南极吸引。

B. 控制已改变阶段。橙色线圈和转子之间的磁场已经消失。现在“红色”相的线圈受到控制，导致红色线圈和转子之间建立磁场。

由于磁场从橙色线圈切换到红色线圈，转子顺时针旋转 1,8°；
要逆时针而不是顺时针旋转转子，必须通过红色连接反转极性（电流方向）。毕竟，通过线圈的电流方向决定了磁场的方向，从而决定了北极和南极的“位置”。

C. 控制器再次改变相位，转子再次顺时针旋转 1,8°。

与情况 A 中相同的线圈通电，但橙色线的极性已相反；
通过控制线圈，可使转子再次逆时针转动，如情况B所示；
为了使转子顺时针转动，红色线圈也通电，但与情况B相比极性相反。

在上面的示例中可以看出，北极转子被吸引到南极线圈，同时南极转子被吸引到北极线圈。这确保了混合式步进电机能够进行非常精确的运动，并且还具有高扭矩。

混合式步进电机可以在转子上配备更多的极对和更多的齿，允许高达 0,728° 的步距和每转 500 步。