這臺看起來平平無奇，跟小時(shí)候玩的盜版奧迪雙鉆四驅(qū)車?yán)锏闹绷餍●R達(dá)樣子差不太多的小電機(jī)，其實(shí)是一臺PM步進(jìn)電機(jī)。小小身軀裝著簡單但構(gòu)思精巧的結(jié)構(gòu)，這篇文章帶你看懂PM步進(jìn)電機(jī)！

圖1 一臺典型的PM步進(jìn)電機(jī)

PM步進(jìn)電機(jī)的基本原理與混合式步進(jìn)電機(jī)是完全一樣的，區(qū)別就是在于它的轉(zhuǎn)子是永磁體構(gòu)成的，PM就是permanent magnetic的縮寫，意思就是永磁的。

PM步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子就是在轉(zhuǎn)子外沿輪流分布永磁鐵，NS極相互交錯(cuò)，表面均勻無齒（圖2所示）。這與混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是完全不一樣的設(shè)計(jì)。顯然這種設(shè)計(jì)無法讓轉(zhuǎn)子極對數(shù)達(dá)到很大的數(shù)量，一般就是5-12對，而混合式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向永磁體磁場和交錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)，讓其轉(zhuǎn)子的極對數(shù)達(dá)到了50（甚至100）。

圖2 PM步進(jìn)電機(jī)（左）和混合式步進(jìn)電機(jī)（右）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖。

說完了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，接下來說PM步進(jìn)電機(jī)巧妙的定子結(jié)構(gòu)，如圖3所示。可以看到一相只有一個(gè)繞組，繞組的兩極方向各有一個(gè)帶爪的極板，N、S極的極爪相互交錯(cuò)分布在繞組內(nèi)側(cè)。磁力線通過極板的引導(dǎo)，在繞組內(nèi)側(cè)形成了NS極交錯(cuò)的磁場分布。

圖3 2相PM步進(jìn)電機(jī)的剖面圖（左）和剖面立體圖（右）

其他相的繞組則與第一相繞組同軸放置，磁場相互交錯(cuò)一定的角度。交錯(cuò)的角度（電角度）可以記為：

θ=180°/P

P是電機(jī)的相數(shù)，最終這個(gè)交錯(cuò)的角度θ轉(zhuǎn)換成機(jī)械角度便是PM步進(jìn)電機(jī)的步距角。

PM步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以用圖4所示的示意圖來表示。外面兩圈分別是定子的兩相（為了方便，將平行放置的大小相同的定子線圈畫成了同心圓環(huán)，其實(shí)不同相定子是同軸放置的大小相同的線圈結(jié)構(gòu)），藍(lán)白相間的格子代表的就是間隔分布的極爪，最里面的環(huán)形代表轉(zhuǎn)子上的永磁體磁極。轉(zhuǎn)子極對數(shù)和定子極對數(shù)是相等的。

圖4 2相PM步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子定子磁極示意圖

接下來我們以2相PM步進(jìn)電機(jī)為例，假設(shè)定子、轉(zhuǎn)子極對數(shù)都是12。

那么根據(jù)上文的討論，A、B兩相的極爪放置角度（磁場角度）應(yīng)當(dāng)交錯(cuò)180°/2=90°（電角度），由于轉(zhuǎn)子極對數(shù)是12，那么轉(zhuǎn)換成機(jī)械角度就是90°/12=7.5°。由于極對數(shù)是12，一個(gè)N極或S極占據(jù)的角度即為15°，所以兩相位置偏移正好是半個(gè)極爪的位置（如圖4所示）。

那么PM步進(jìn)電機(jī)又是如何轉(zhuǎn)起來的呢？

我們將兩相按照這樣的順序通電：A>B>A->B->A。A代表A相正向通電，A-代表A相反向通電。

那么假如初始時(shí)，A相通電，那么平衡時(shí)，轉(zhuǎn)子和定子的位置應(yīng)當(dāng)如圖5所示

圖5 A相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子N極與A相定子S極爪對齊

這時(shí)，切換成B相通電，那么磁場情況變成圖 (左）所示狀態(tài)，那么轉(zhuǎn)子受到定子磁場順時(shí)針的力矩，從而順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，顯然這個(gè)角度就是7.5°，轉(zhuǎn)動(dòng)之后的平衡位置如圖6（右）所示。

圖6 A切換到B后磁場變化以及轉(zhuǎn)子受力情況（左），切換到B相后平衡狀態(tài)（右）

接下來切換成A相反向通電，那么磁場情況如圖7（左）所示，顯然，轉(zhuǎn)子繼續(xù)受到順時(shí)針方向力矩，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下一個(gè)7.5°到平衡位置（圖7（右））。

圖7 A相通反向電流時(shí)，定子、轉(zhuǎn)子磁場情況以及轉(zhuǎn)子受力示意（左）以及平衡位置（右）

就這樣隨著兩相電流的切換，轉(zhuǎn)子便持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)了起來。

至于兩相勵(lì)磁、半步驅(qū)動(dòng)以及細(xì)分驅(qū)動(dòng)的原理就和混合式步進(jìn)電機(jī)一模一樣啦，感興趣可以參考前面的文章步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模式及其原理。

以上是兩相PM步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理，那么更多相數(shù)呢，其實(shí)本質(zhì)還是一樣的，下面以三相PM電機(jī)的結(jié)構(gòu)舉例。

結(jié)構(gòu)上，三相PM步進(jìn)電機(jī)就是在兩相電機(jī)基礎(chǔ)上再多疊一個(gè)線圈（圖8）。三個(gè)線圈極爪的交錯(cuò)的電角度為180°/3=60°，在極對數(shù)為12的情況下，轉(zhuǎn)換成機(jī)械角度也就是5°。因此三相PM步進(jìn)電機(jī)（極對數(shù)12）的步距角就是5°。

圖8 三相PM步進(jìn)電機(jī)的剖面立體圖

三相PM步進(jìn)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子磁極位置關(guān)系可以用以下示意圖來描述。可以看到轉(zhuǎn)子S極依次與A、B、C相N極對齊，然后再與A-相N極（A相S極）對齊，轉(zhuǎn)子每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為5°，即步距角。

圖9 3相PM步進(jìn)電機(jī)的磁極分布示意圖。

綜上，可以看到，對比混合式步進(jìn)電機(jī)而言，一方面，PM步進(jìn)電機(jī)沒有精細(xì)的齒槽結(jié)構(gòu)，因此材料的加工難度降低很多；另一方面，PM電機(jī)每一個(gè)相都只有一個(gè)線圈，繞線復(fù)雜程度大幅下降（對于混合式步進(jìn)電機(jī)，每一相都有2-4個(gè)繞組）。因此PM步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)成本低很多。但是由于轉(zhuǎn)子的永磁體磁極很難再做得更多，因此PM步進(jìn)電機(jī)的精度相對來說會更低一些。

以上就是PM步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)原理啦，利用簡單的結(jié)構(gòu)便實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的功能，實(shí)在是巧妙！