关于怎么用马达制作打印机，你需要知道这些《从零开始的3d打印机制作》0.2.2台 零部件之无刷步进电机介绍

《从零开始的3d打印机制作》 @青年创造攻防十二

介绍0.2台零件

0.2.2电动机型号简介| |步进电动机|无刷电动机

步进电机(Stepper motor)；Step motor)是一种直流无刷电机，可以为齿轮型突起(小牙齿)等粘着的精子和转子切换流向定子线圈的电流，以一定角度逐步旋转。

步进电机是一种将数字脉冲信号转化为角位移的执行机构。也就是说，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角、步距角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。

　　永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；

　　反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为0.75度。输出转矩较大，转速也比较高。这种电机，在机床上是用较多。

　　混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相、三相、四相和五相：两相（四相）步距角一般为1.8度，三相步距角通常为1.2度，而五相步进角多为0.72度。目前，混合式步进电机的应用最为广泛。

步进电机的特征是采用开回路控制（Open-loop control）处理，不需要运转量检知器（sensor）或编码器，且切换电流触发器的是脉冲信号，不需要位置检出和速度检出的回授装置，所以步进电机可正确地依比例追随脉冲信号而转动，因此就能达成精确的位置和速度控制，且稳定性佳。

电机构造从属种类

永久磁铁型（permanent magnet type）

可变磁阻型（variable reluctance type）

复合型（hybrid type）

步进马达的基本构成

控制器：发出运转指令，传送需求速度以及运转量的指令脉波信号。需使用步进马达专用控制器或可编程控制器的定位模组。传送的运转指令脉波信号有如心脏跳动般的呈现矩形的波形，是间断性的发出信号。

驱动器：提供电力以保证马达按指令运转，驱动器会随控制器传送来的脉波信号来控制电力，由决定的电流流通顺序的来激磁回路，并控制提供给马达的电力以驱动回路

马达本体：将电力转化为动力，并按指令需求脉波数运转。

主要特征

步进马达只需要通过脉波信号的操作，即可简单实现高精度的定位，并使工作物在目标位置高精度地停止。步进马达是以基本步级角的角度为单位来进行定位。以4相步进马达为例，其基本步级角为0.9，因此可以将马达转1圈分为400等分（=360度 / 0.9），以此方式来细分每次行进量做为定位基准。

选用特点

在步进马达的选用上必须注意以下几点：

步进角：亦即步进马达之分辨率（此指1脉波的移动量），步进马达的步进角就是依马达旋转一圈（360°）而分割成多少来决定。

转动速度：亦即脉波输入速度（pulse/s）。

转矩：选择步进马达时，需以有负荷时之最大转矩（kg-m）的1.5倍~2倍来决定。

负荷惯性惯量：依据使用场合计算负荷惯性惯量，再依步进马达规格表，选择容许负载惯性惯量需大于计算值之1.3倍以上。

驱动器：连接控制器或直接接受外部讯号，进而控制步进马达动作。驱动器将直接影响步进马达的性能表现。

搭配减速机：使用减速机型步进马达可达到减速、提高转矩、提高分辨率、降低施加于马达轴之负荷惯性惯量、改善起动与停止时的阻尼特性，进而降低运转之振动。

下面将介绍3种励磁模式

全步模式

所谓全步模式，就是依据电机固有结构设计固定的步距角工作，一个电脉冲，步进电机前进一个步距角。这个步距角是电机设计结构所决定的，也可以理解为电机以最大的步距角旋转。

半步模式

半步模式是以电机固有的结构决定的步距角的一半角度进行步进旋转。如下图所示，步进电机的总极数是4级，对应的步距角是90度，那么半步模式下，步进电机每个脉冲旋转45度。

微步模式

微步模式类似于半步模式，步距角更小，就是1/4步、1/8步、1/16步，可以到很高的细分。对应的步进角度就是在整步步距角乘以微步系数。

步进电机的步距角越小，需要的加工精度会越高，对应的微步时的步进角度的误差会越大。

电机控制驱动器

步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电机驱动器，它有脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。如下图所示。

驱动单元与步进电机直接耦合，也可以理解成步进电机微机控制器的功率接口。下面将使用MCU和分离元器件的系统举例说明。MCU相当于是控制电机的大脑，它向分立器件发送电机的步距角时间、转动方向和重复次数等，而分立器件根据MCU发出的信号，将放大电压和电流并将其发送至电机，从而驱动电机转动。

如上图所示，该系统使用了MCU和电机控制驱动器IC。从输入控制信号来区分，步进电机控制器IC可以分为相入力型和时钟入力型。相入力型是指电机的每个励磁相的电流方向由输入信号控制，而时钟入力型是指电机的驱动由脉冲信号来控制。

相入力型

相入力型电机驱动器需要A和B两相的控制信号，只需要时钟信号，需要控制信号的MCU做更多的运输工作。

时钟入力型

时钟入力型电机驱动器的控制接口，需要时钟信号（单脉冲信号）输入，其控制信号相对简单，MCU的资源占用较少。

42BYG/17HS步进电机

42步进电机指步进电机的尺寸，混合式步进电机一般是方形的，法兰外框尺寸是42mm*42mm；永磁式步进电机一般是圆形的，电机机身外径是42mm。17HS是英制尺寸国际标准，就是42机座号的混合式步进电机，等同于国内的42BYG步进电机。
一秒多少步是指脉冲频率，脉冲频率控制步进电机的运行速度。
一步多少度是指步距角，也是步进电机的分辨率，混合式一般1.8°，永磁式常见7.5°，15°，18°等。

现在市面上比较常见的混合式步进电机型号有20/25/28/35/36/39/42/57/60/86/110/130等

无刷电机

步进电机是无刷电机的一种，但日常中无刷电机常被特指用于航空模型上的动力电机，并且已有无刷电机用于3d打印机动力部分的验证，所以也单独介绍一下。

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能级的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。

无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。

位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。

采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。

采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。

采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等），当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号（其幅值随转子位置而变化）。

无刷电机和有刷电机的对比如下所示：

有刷电机缺点

（1）摩擦大，损耗大

老模友们在以前玩有刷电机的时候都碰到这个问题，那就是使用电机一段时间以后，需要打开电机来清理电机的碳刷，费时费力，维护强度不亚于来一次家庭大扫除。

（2）发热大，寿命短

由于有刷电机的结构原因，电刷和换向器的接触电阻很大，造成电机整体电阻较大，容易发热，而永磁体是热敏元件，如果温度太高的话，磁钢是会退磁的，使电机性能下降，影响有刷电机的寿命。

（3）效率低，输出功率小

上面说到的有刷电机发热问题，很大程度是因为电流做功在电机内部电阻上了，所以电能有很大程度转化为了热能，所以有刷电机的输出功率不大，效率也不高。

无刷电机优点

（1）无电刷、低干扰

无刷电机去除了电刷，最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。

（2）噪音低，运转顺畅

无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持。

（3）寿命长，低维护成本

少了电刷，无刷电机的磨损主要是在轴承上了，从机械角度看，无刷电机几乎是一种免维护的电动机了，必要的时候，只需做一些除尘维护即可。上下一比较，就知道无刷电机相对于有刷电机的优势在哪里了，但是万事都不是绝对的，有刷电机低速扭力性能优异、转矩大等性能特点是无刷电机不可替代的，不过就无刷电机的使用方便性来看，随着无刷控制器的成本下降趋势和国内外无刷技术的发展与市场竞争，无刷动力系统正在高速的发展与普及阶段，这也极大促进了模型运动的发展。

其他区别

（1）适用范围：

无刷电机：通常被使用在控制要求比较高，转速比较高的设备上，如航模，精密仪器仪表等对电机转速控制严格，转速达到很高的设备上。

碳刷电机：通常动力设备使用的都是有刷电机，如吹风机、工厂的电动机、家用的抽油烟机等等，另外串激电机的转速也能达到很高，但是由于碳刷的磨损，使用寿命不如无刷电机。

（2）使用寿命：

无刷电机：通常使用寿命在几万小时这个数量级，但是由于轴承的不同无刷电机使用寿命也有很大不同。

碳刷电机：通常有刷电机的连续工作寿命在几百到1千多个小时，到达使用极限就需要更换碳刷，不然很容易造成轴承的磨损。

（3）使用效果：

无刷电机：通常是数字变频控制，可控性强，从每分钟几转，到每分钟几万转都可以很容易实现。

碳刷电机：旧碳刷电机一般启动以后工作转速恒定，调速不是很容易，串激电机也能达到20000转/分，但是使用寿命会比较短。

（4）节能方面：

相对而言，无刷电机采用变频技术控制的会比串激电机节能很多，最典型的就是变频空调和冰箱。

（5）日后维修方面：

碳刷电机需要更换碳刷，如果更换不及时会造成电机的损坏，而无刷电机，使用寿命很长，通常是有刷电机的10倍以上，但是坏了就需要更换电机，但日常维护基本不需要。

（6）噪音方面与是否是有刷电机无关，主要是看轴承和电机内部组件的配合情况。

（7）模型无刷电机的参数指标，除了外形尺寸（外径、长度、轴径等）、重量、电压范围、空载电流、最大电流等参数外，还少不了一个重要指标KV值，这个数值是无刷电机独有的一个性能参数，是判断无刷电机性能特点的一个重要数据。

*K V额定值可以告诉一个电动机可以旋转多少RPM。例如，如果一个11.1V电池为3500K V电动机供电，则电动机的最高RPM将为3500 X 11.1 = 38,850 RPM。仅当电动机上没有负载时才能达到该速度。所有电动机的最高速度都以相同的方式受到限制。当电枢被磁体排斥或吸引到由电动机中的线状线圈产生的临时磁场旋转时，运动中的磁体也会在线圈中感应出自己的电压（称为反电动势）。当反电动势等于输入电压时，达到最高速度。

如需查看驱动方法请看我们之前的文章

《测试步进电机烦恼吗？来做个手持脱机步进电机控制器》