每个都伸出，用指尖触摸 鼻尖。没关系!闭着眼睛再试一次， 这仍然很简单：你永远不会错过。即使在像我这样笨拙的人中， 大脑主要控制身体。在运动员、艺术家、 芭蕾舞演员和外科医生，“控制”意味着绝对的精确。 现在想象一下试图建立一个 机器人 与相同的 机械卓越程度，使用 齿轮, 车轮和 杠杆 自 完成身体对肌肉和骨骼的作用。这是一个很多 更高的顺序，使人体看起来更加令人印象深刻。 制造乖巧机器人的一大困难是 简单的电动机不可能精确移动。这就是为什么 许多机器人将普通电机换成所谓的 步 进 电机 (或者，有时，步进电机)，可以通过“步进”——明确定义 角度 - 精度不足 电子的 控制。他们是什么 是怎么做的 他们工作?让我们仔细看看!

　　照片：来自旧喷墨打印机的几个典型直流步进电机。我们怎么知道?它们有多根引线(与只有两根引线的简单直流电机不同)。告诉步进电机的另一种方法是将其放在耳朵附近，然后用手指缓慢旋转轴。您应该听到并感受到各个步骤，有点像为手表上链。

　　普通电动机有什么问题?

　　普通电动机基于简单的 位的 磁铁 我们都在学校学习的科学：与波兰人的吸引力不同， 就像波兰人排斥一样。以下是基本电机的工作原理。你拿一个 环形磁铁，在其中放一圈电线，然后馈送 电力 通过电线。电线成为临时磁铁 由电力(换句话说，电磁铁)和 它产生的磁场排斥来自永磁体的磁场 围绕它。通过巧妙地打开和关闭电流 称为 换向器，以及一些电气 被叫的联系人 刷，可以使电线在 无限期地相同的方向。馈电(电能) 进入它，你会得到运动(机械能)回来。那就是 使用普通电机的本质 直流(直流) 电力。如果您不确定这样的电机是如何工作的， 您可能想查看我们的介绍性文章 电动机.

　　照片：来自旧割草机的强大电动机。前面的槽是换向器的一部分，换向器是一种巧妙的装置，可以反转电流并保持转子(电机的旋转中心部分)沿同一方向旋转。

　　我们还可以使用以下方法制造工作的电机 交流 (交流电) 而不是 DC。虽然它们是经过精心设计的 以一种完全不同的方式，它们仍然基于“像波兰人 排斥，不像极点吸引“：为电机提供动力的电力 产生磁力和排斥力，以及使 电机旋转。您将找到有关交流电机的更多信息，也称为交流电机 感应电机—在我们的文章中 交流感应电机.

　　无论是直流还是交流供电，普通 电机是现代生活动力的隐藏的电动肌肉：您将 在你周围的世界的各种小工具和小玩意中找到它们， 来自食品搅拌机和 冰箱 自 吸尘器 和电动 火车。但是在所有这些机器中，其电机的转子连续旋转。 当您吸尘地毯或乘坐地铁上下班时，电机 为您工作可以多次转身： 无法精确控制它们旋转多少次以及旋转什么 它们旋转的角度——这真的无关紧要。

　　现在假设你想做一个电动的 机器人 通过精确角度转动的手臂(精确数量的 度)，这样它就可以成功抢到一杯 咖啡 离开你的办公桌。 您可以将电动机安装到一个 木 或 塑胶 杠杆到 打开电源时让它转动，您可以轻弹 通电时间非常短，因此手臂会扫过某个角度，然后 然后停止。问题是，没有办法知道有多少 电机(或手臂)移动的角度：这取决于 电机的功率和驱动其到 手臂的重量，甚至风向。一种电机 以这种任意方式移动在机器人技术中没有任何用处：您的 咖啡肯定会落在地板上!这就是步进电机的地方 进来：这是一种特殊的直流电机，设计成这样你就可以制造它 以精确的角度旋转，而不是随机旋转 量。

　　插图：普通电机(左)在打开时旋转任意量，然后很快关闭;没有办法控制它的转动量，因为它取决于各种不同的因素 (包括“负载”)。相比之下，步进电机(右)可以以相当精确的角度转动。 它更可控。

　　步进电机到底是什么?

　　照片：台阶的哲学：我们认为台阶是一种向上攀爬的方式，但它们也是一种将固定距离分成大小相等的碎片的方法，这样我们就可以更好地控制自己的动作。我们可以将它们视为模糊的、可变的、 模拟 特定、离散、数字的距离量 块。旧金山第16大道瓷砖台阶项目的照片，由 卡罗尔·M·海史密斯(Carol M. Highsmith)的美国项目中的乔恩·B·洛夫莱斯(Jon B. Lovelace)加州照片集， 美国国会图书馆印刷和摄影部.

　　步进电机至少在四个重要方面与普通直流电机不同。

　　您注意到的第一个区别是它们没有电刷或换向器(直流电机的部件 反转电流并保持转子 - 旋转部分 电机 - 不断向同一方向转动)。在其他 话说，步进电机就是我们所说的例子 无 刷 电机.(您还可以在许多电动汽车中找到无刷电机 隐藏在轮毂中的车辆;以这种方式使用，它们是 叫 轮毂电机.)

　　第二个主要区别在于旋转的内容。请记住，在 一个基本的直流电机，有一个或几个外部永磁体 保持静态，称为定子，以及一个或多个内部线圈 在它里面旋转，这就是转子。在无刷轮毂电机中， 线圈的中心是静态的，永磁体 在外面围绕它们旋转。步进电机又不同了。 这一次，永磁体在内部并旋转(组成 转子)，而线圈在外面并保持静止(组成 定子)。

　　普通DC的第三大区别 电机和步进电机是在定子和 转子。而不是外部的一个大磁铁(定子)和 一个在其内部旋转的大线圈(转子)，步进电机具有 内部磁铁有效地分为许多独立的部分， 看起来像牙齿 齿轮.外线圈 具有相应的齿，可提供磁脉冲，吸引， 排斥，并使内轮的齿旋转小 步骤。当我们看一些图片时，这将变得清晰。

　　最后一个区别是，步进电机一旦通过特定的旋转，就可以在某个位置保持静止 角度。如果你想让电机为机器人手臂之类的东西提供动力，这显然是至关重要的。 可能必须旋转一定量，然后精确地保持在该位置，而机器人的另一部分则旋转 别的。此功能有时称为 保持扭矩 (扭矩是旋转的 力有，所以“保持扭矩”仅仅意味着步进电机保持静止的能力)。

　　步进电机如何工作?

　　基本结构

　　我将在这里简化步进电机，以说明简单的中心思想：(内部)转子 步进电机的转动量很小，离散(步长)，因为(外部)定子施加磁脉冲来拉动和推动它 周围。

　　照片：步进电机的转子由两个盘组成，因此我们得到了一系列交替的北极和南极。我模拟了这个想法，给我的手上色，把它们放在一起，这样从上面看手指就会交替。

　　转子

　　转子本身由两个圆盘制成，有点像齿轮，其中一个是磁北极(红色)和 另一个是南极(蓝色)。当我们背靠背放置两个圆盘时，我们会得到北极和南极的牙齿在边缘交替。 如果你觉得很难想象，想象你的左手是一个磁性北极，是红色的，而你的 右手是磁性南极，颜色为蓝色。如果你把一只手放在另一只手上面，所以手指 一只手与另一只手的手指交替，然后往下看，你会看到北极和南极交替的“牙齿” (手指)在边缘周围。这实际上是我们在步进电机转子中所拥有的。

　　定子

　　在转子的边缘，我们有定子：在这个例子中，四个电磁铁可以单独打开和关闭。一般 步进电机中的电磁铁成对工作，每对相对的磁铁一起打开以同时形成北极，然后是直角磁铁，它们也一起工作。我更喜欢用稍微不同的方式绘制它，我认为这种方式更简单，更容易理解。究竟何时打开取决于有多少个转子齿(台阶)以及它们周围有多少电磁线圈：步进电机的几何形状和对齐必须恰到好处才能使转子转动。

　　它如何旋转

　　右电磁铁通电并成为北极(红色)，左电磁铁成为南极(蓝色)。这会将转子拉动一步，因此转子上的蓝牙卡向右电磁铁，红色齿向左电磁铁卡住。

　　现在底部电磁铁变成北极，顶部磁铁变成南极，两个水平磁铁关闭。同样，转子的齿被一步拉动。

　　垂直磁铁现在关闭，水平磁铁再次打开，但极性(磁性模式)与以前相反。转子的齿又向前推进了一步。

　　最后，垂直磁铁再次打开，与之前相反的极性，水平磁铁关闭。转子又绕了一步。然后整个循环重复。

　　请记住，步进电机并不是真正设计为保持旋转：通过根据需要向外部电磁铁发送尽可能多的或尽可能少的脉冲，我们可以使转子通过一定数量的步长(因此，通过精确的角度)。我们可以通过反转电流使其以相反的方式旋转。

　　步进电机的类型

　　这只是步进电机的简单概述，我不会详细介绍所有众多不同品种 你会发现。一些值得了解的技术术语经常出现在关于步进电机的文献(和网页)中，通常没有任何解释。

　　两极

　　我在这里演示的电机有一个转子磁铁，分为许多交替的北极和南极，所以这个设计 被称为 多极 发动机。极数越多，电机距离越短 每一步旋转，控制得越精确。

　　阶段

　　在电机中，“相位”通常意味着一个或两个相对的电磁铁交替运行(如果您愿意，彼此不同步或异相)。我上面说明的电机有两个相位(两对电磁铁，所以总共四个电磁铁，排列在90度)。在三相步进电机中，您可能有三个电磁铁以 120 度角排列(因此三个单独的电磁铁，尽管三相电机也可以有三对相距 60 度排列)。四相电动机有八个电磁铁，排列成四对，每个电磁铁与下一个电磁铁相距45度。

　　照片：在两相可堆叠的步进电机内部：并非所有步进电机的外观和工作方式都与我上面的艺术作品和动画完全相同。这是永磁体，可以堆叠，步进电机的一个例子，其中零件分层排列。在第一张照片中，您可以看到脱下上衣时的样子。在第二张照片中，我把所有的位都拿出来，按顺序排列。它们是：1)上定子杯和外齿。2)转子(固定在旋转轴上的多极永磁体);3)上线圈;4)内定子齿;5)下线圈;6)下定子杯和齿。它的工作方式与我上面解释的电机大致相似，除了齿是静态的(定子的一部分)，而永磁体(由多个极组成)在它们内部旋转并转动电机轴。

　　步进电机的优缺点

　　照片：内部 喷墨打印机，这是步进电机的一种非常常见的应用。您可以在这里看到两个步进电机：顶部的通过转动黑色和棕色皮带从左向右移动墨盒和打印头，而底部的旋转白色齿轮，转动纸辊并使纸张进纸通过。

　　使用步进电机的原因是为了实现精确控制：您可以使其以定义的角度移动。但 也有缺点。步进电机有时可能很生涩， 因为他们以突然的冲动开始和停止每一步，这 如果您尝试构建精度，并不总是您想要的 机器。使用步进电机的替代方法是使用 伺服 发动机：内置反馈机构的电机。通常，伺服 电机的转子上装有所谓的光学编码器。在 简单的英语，这是一个黑白图案的光盘，可以移动 前面的东西像 光电电池. 当圆盘转动时，电池检测黑白图案和电子电路 从中准确计算出光盘旋转了多少。用 这种反馈，可以更平稳地控制电机(和 通常比简单的步进电机更精确。伺服电机很多 设计比步进电机更复杂，往往更昂贵， 这就是为什么经常使用步进器代替的原因。

　　谁发明了步进电机?

　　就我的钱而言，是弗兰克·W·伍德(Frank W. Wood)在1912年至1918年间申请的几项专利。这是 1918 年提交的设计(1922 年 3 月 7 日正式获得专利)，名为“生产逐步运动的艺术”，它使用五个磁铁的外环(以各种组合通电)使一对内磁铁和一个轴旋转。用伍德自己的话说，他的小工具产生了“一步一步的可旋转元素的运动......由多个磁路的合作用提供。

　　艺术品：弗兰克伍德1918年的步进电机设计。艺术品来自 美国专利1，408，555：生产逐步运动的技术，由美国专利商标局提供。