【導讀】步進(jìn)電機是一種通過(guò)步進(jìn)（即以固定的角度移動(dòng)）方式使軸旋轉的電機。其內部構造使它無(wú)需傳感器，通過(guò)簡(jiǎn)單的步數計算即可獲知軸的確切角位置。這種特性使它適用于多種應用。本文將為您介紹步進(jìn)電機的基礎知識，包括其工作原理、構造、控制方法、用途、類(lèi)型及其優(yōu)缺點(diǎn)。
步進(jìn)電機基礎知識
步進(jìn)電機是一種通過(guò)步進(jìn)（即以固定的角度移動(dòng)）方式使軸旋轉的電機。其內部構造使它無(wú)需傳感器，通過(guò)簡(jiǎn)單的步數計算即可獲知軸的確切角位置。這種特性使它適用于多種應用。
步進(jìn)電機工作原理
與所有電機一樣，步進(jìn)電機也包括固定部分（定子）和活動(dòng)部分（轉子）。定子上有纏繞了線(xiàn)圈的齒輪狀突起，而轉子為 永磁體或可變磁阻鐵芯。稍后我們將更深入地介紹不同的轉子結構。圖1顯示的電機截面圖，其轉子為可變磁阻鐵芯。
圖1: 步進(jìn)電機截面圖
步進(jìn)電機的基本工作原理為：給一個(gè)或多個(gè)定子相位通電，線(xiàn)圈中通過(guò)的電流會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，而轉子會(huì )與該磁場(chǎng)對齊；依次給不同的相位施加電壓，轉子將旋轉特定的角度并最終到達需要的位置。圖2顯示了其工作原理。首先，線(xiàn)圈A通電并產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉子與該磁場(chǎng)對齊；線(xiàn)圈B通電后，轉子順時(shí)針旋轉60°以與新的磁場(chǎng)對齊；線(xiàn)圈C通電后也會(huì )出現同樣的情況。下圖中定子小齒的顏色指示出定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向。
圖2: 步進(jìn)電機的步進(jìn)
步進(jìn)電機的類(lèi)型與構造
步進(jìn)電機的性能（無(wú)論是分辨率/步距、速度還是扭矩）都受構造細節的影響，同時(shí)，這些細節也可能會(huì )影響電機的控制方式。實(shí)際上，并非所有步進(jìn)電機都具有相同的內部結構（或構造），因為不同電機的轉子和定子配置都不同。
轉子
步進(jìn)電機基本上有三種類(lèi)型的轉子：
?? 永磁轉子：轉子為永磁體，與定子電路產(chǎn)生的磁場(chǎng)對齊。這種轉子可以保證良好的扭矩，并具有制動(dòng)扭矩。這意味著(zhù)，無(wú)論線(xiàn)圈是否通電，電機都能抵抗（即使不是很強烈）位置的變化。但與其他轉子類(lèi)型相比，其缺點(diǎn)是速度和分辨率都較低。圖3顯示了永磁步進(jìn)電機的截面圖。
圖3: 永磁步進(jìn)電機
?? 可變磁阻轉子：轉子由鐵芯制成，其形狀特殊，可以與磁場(chǎng)對齊（請參見(jiàn)圖1和圖2）。這種轉子更容易實(shí)現高速度和高分辨率，但它產(chǎn)生的扭矩通常較低，并且沒(méi)有制動(dòng)扭矩。
?? 混合式轉子：這種轉子具有特殊的結構，它是永磁體和可變磁阻轉子的混合體。其轉子上有兩個(gè)軸向磁化的磁帽，并且磁帽上有交替的小齒。這種配置使電機同時(shí)具有永磁體和可變磁阻轉子的優(yōu)勢，尤其是具有高分辨率、高速度和大扭矩。當然更高的性能要求意味著(zhù)更復雜的結構和更高的成本。圖3顯示了這種電機結構的簡(jiǎn)化示意圖。線(xiàn)圈A通電后，轉子N磁帽的一個(gè)小齒與磁化為S的定子齒對齊。與此同時(shí)，由于轉子的結構，轉子S磁帽與磁化為N的定子齒對齊。盡管步進(jìn)電機的工作原理是相同的，但實(shí)際電機的結構更復雜，齒數要比圖中所示的更多。大量的齒數可以使電機獲得極小的步進(jìn)角度，小至0.9°。
圖4: 混合式步進(jìn)電機
定子
定子是電機的一部分，負責產(chǎn)生轉子與之對齊的磁場(chǎng)。定子電路的主要特性與其相數、極對數以及導線(xiàn)配置相關(guān)。 相數是獨立線(xiàn)圈的數量，極對數則表示每相占用的主要齒對。兩相步進(jìn)電機最常用，三相和五相電機則較少使用（請參見(jiàn)圖5和圖6）。
圖5: 兩相定子繞組（左）和三相定子繞組（右）
圖6：兩相單極定子（左）和兩相雙極定子（右）。在A(yíng) +和A-之間施加正電壓時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)用字母N和S表示。
步進(jìn)電機的控制
從上文我們知道，電機線(xiàn)圈需要按特定的順序通電，以產(chǎn)生轉子將與之對齊的磁場(chǎng)?？梢韵蚓€(xiàn)圈提供必要的電壓以使電機正常運行的設備有以下幾種（從距離電機更近的設備開(kāi)始）：
● 晶體管橋：從物理上控制電機線(xiàn)圈電氣連接的設備。晶體管可以看作是電控斷路器，它閉合時(shí)線(xiàn)圈連接到電源，線(xiàn)圈中才有電流通過(guò)。每個(gè)電機相位都需要一個(gè)晶體管電橋。
● 預驅動(dòng)器：控制晶體管激活的設備，它由MCU控制以提供所需的電壓和電流。
● MCU：通常由電機用戶(hù)編程控制的微控制器單元，它為預驅動(dòng)器生成特定信號以獲得所需的電機行為。
圖7為步進(jìn)電機控制方案的簡(jiǎn)單示意圖。預驅動(dòng)器和晶體管電橋可以包含在單個(gè)設備中，即驅動(dòng)器。
圖7: 電機控制基本方案
步進(jìn)電機驅動(dòng)器類(lèi)型
市面上有各種不同的 步進(jìn)電機驅動(dòng)器，它們針對特定應用具有不同的功能。但其最重要的特性之一與輸入接口有關(guān)，最常見(jiàn)的幾種輸入接口包括：
● Step/Direction （步進(jìn)/方向） –在Step引腳上發(fā)送一個(gè)脈沖，驅動(dòng)器即改變其輸出使電機執行一次步進(jìn)，轉動(dòng)方向則由Direction引腳上的電平來(lái)決定。
● Phase/Enable（相位/使能） –對每相的定子繞組來(lái)說(shuō)，Enable決定該相是否通電， Phase決定該相電流方向，。
● PWM – 直接控制上下管FET的柵極信號。
步進(jìn)電機驅動(dòng)器的另一個(gè)重要特性是，除了控制繞組兩端的電壓，它是否還可以控制流過(guò)繞組的電流：
● 擁有電壓控制功能，驅動(dòng)器可以調節繞組上的電壓，產(chǎn)生的扭矩和步進(jìn)速度僅取決于電機和負載特性。
● 電流控制驅動(dòng)器更加先進(jìn)，因為它們可以調節流經(jīng)有源線(xiàn)圈的電流，更好地控制產(chǎn)生的扭矩，從而更好地控制整個(gè)系統的動(dòng)態(tài)行為。
單極/雙極電機
另一個(gè)可能對電機控制產(chǎn)生影響的特性是其定子線(xiàn)圈的布置，它決定了電流方向的變化方式。為了實(shí)現轉子的運動(dòng)，不僅要給線(xiàn)圈通電，還要控制電流的方向，而電流方向決定了線(xiàn)圈本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向（見(jiàn)圖8）。
步進(jìn)電機可以通過(guò)兩種不同的方法來(lái)控制電流的方向。
圖8: 根據線(xiàn)圈電流方向控制磁場(chǎng)方向
在單極步進(jìn)電機中，線(xiàn)圈的中心點(diǎn)連有一根引線(xiàn)（請參見(jiàn)圖9），這樣可以通過(guò)相對簡(jiǎn)單的電路和組件來(lái)控制電流方向。該中央引線(xiàn)（AM）連接輸入電壓VIN（見(jiàn)圖8）。如果MOSFET 1導通，則電流從AM流向A +。如果MOSFET 2導通，則電流從AM流向A-，在相反方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)。如上所述，這種方法可以簡(jiǎn)化驅動(dòng)電路（僅需要兩個(gè)半導體），但缺點(diǎn)是一次僅使用了電機中銅導體的一半，這意味著(zhù)如果線(xiàn)圈中流過(guò)相同的電流 ，則磁場(chǎng)強度僅為使用全部銅導體時(shí)的一半。另外，由于電機輸入引線(xiàn)更多，這類(lèi)電機較難構造。
圖9: 單極步進(jìn)電機驅動(dòng)電路
在雙極步進(jìn)電機中，每個(gè)線(xiàn)圈只有兩條引線(xiàn)，而且為了控制方向，必須使用H橋（請參見(jiàn)圖10）。如圖8所示，如果MOSFET 1和4導通，則電流從A +流向A-；如果MOSFET 2和3導通，則電流從A-流向A +，產(chǎn)生相反方向的磁場(chǎng)。這種方案需要更復雜的驅動(dòng)電路，但可以最大限度利用電機銅量而實(shí)現最大扭矩。
圖10: 雙極步進(jìn)電機驅動(dòng)電路
隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，單極電機的優(yōu)勢逐步弱化，雙極步進(jìn)電機成為目前最流行的電機類(lèi)型。
步進(jìn)電機驅動(dòng)技術(shù)
步進(jìn)電機主要有四種不同的驅動(dòng)技術(shù)：
?? 波動(dòng)模式：一次僅一個(gè)相位通電（見(jiàn)圖11）。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，如果電流從某相的正引線(xiàn)流向負引線(xiàn)（例如，從A +到A-），則我們稱(chēng)為正向流動(dòng)；否則，稱(chēng)為負向流動(dòng)。從下圖左側開(kāi)始，電流僅在A(yíng)相中正向流動(dòng)，而用磁體代表的轉子與其所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對齊。接著(zhù)，電流僅在B相中正向流動(dòng)，轉子順時(shí)針旋轉90°以與B相產(chǎn)生的磁場(chǎng)對齊。隨后，A相再次通電，但電流負向流動(dòng) ，轉子再次旋轉90°。 最后，電流在B相中負向流動(dòng)，而轉子再次旋轉90°。
圖11: 波動(dòng)模式步進(jìn)
● 全步模式：兩相始終同時(shí)通電。圖12顯示了該驅動(dòng)模式的步進(jìn)步驟。其步驟與波動(dòng)模式類(lèi)似，最大的區別在于，全步模式下，由于電機中流動(dòng)的電流更多，產(chǎn)生的磁場(chǎng)也更強，因此扭矩也更大。
圖12: 全步模式步進(jìn)
● 半步模式是波動(dòng)模式和全步模式的組合（請參見(jiàn)圖12）。這種模式可以將步距減小一倍（旋轉45°，而不是90°）。其唯一的缺點(diǎn)是電機產(chǎn)生的扭矩不是恒定的，當兩相都通電時(shí)扭矩較高，只有一相通電時(shí)扭矩較小。
圖13: 半步模式步進(jìn)
?? 微步模式：可以看作是半步模式的增強版，因為它可以進(jìn)一步減小步距，并且具有恒定的扭矩輸出。這是通過(guò)控制每相流過(guò)的電流強度來(lái)實(shí)現的。與其他方案相比，微步模式需要更復雜的電機驅動(dòng)器。圖14顯示了微步模式的工作原理。假設IMAX是一個(gè)相位中可以通過(guò)的最大電流，則從圖中左側開(kāi)始，在第一個(gè)圖中IA = IMAX，IB = 0。下一步，控制電流以達到IA = 0.92 x IMAX，IB = 0.38 x IMAX，它產(chǎn)生的磁場(chǎng)與前一個(gè)磁場(chǎng)相比順時(shí)針旋轉了22.5°?？刂齐娏鬟_到不同的電流值并重復此步驟，將磁場(chǎng)旋轉45°、67.5°和90°。與半步模式相比，它將步距減少了一半；但還可以減少更多。使用微步模式可以達到非常高的位置分辨率，但其代價(jià)是需要更復雜的設備來(lái)控制電機，并且每次步進(jìn)產(chǎn)生的扭矩也更小。扭矩與定子磁場(chǎng)和轉子磁場(chǎng)之間的夾角正弦成正比；因此，當步距較小時(shí)，扭矩也較小。這有可能會(huì )導致丟步，也就是說(shuō)，即使定子繞組中的電流發(fā)生了變化，轉子的位置也可能不改變。
圖14: 微步模式步進(jìn)
步進(jìn)電機的優(yōu)缺點(diǎn)
現在我們已了解了步進(jìn)電機的工作原理，再總結一下各類(lèi)電機的優(yōu)缺點(diǎn)將非常有幫助。
優(yōu)點(diǎn)：
● 得益于其內部結構，步進(jìn)電機不需要傳感器來(lái)檢測電機位置。步進(jìn)電機是通過(guò)執行“步進(jìn)”來(lái)運動(dòng)的，因此只需簡(jiǎn)單地計算步數就可以獲得給定時(shí)間的電機位置。
● 此外，步進(jìn)電機的控制非常簡(jiǎn)單。它也需要驅動(dòng)器，但不需要復雜的計算或調整即可正常工作。與其他電機相比，其控制工作量通常很小。而且，如果采用微步模式，還可以實(shí)現高達0.007°的位置精度。
● 步進(jìn)電機在低速時(shí)可提供良好的扭矩，也可以很好的保持位置，而且使用壽命長(cháng)。
缺點(diǎn)：
?? 當負載扭矩過(guò)高時(shí)可能會(huì )失步。由于無(wú)法獲知電機的實(shí)際位置，因此會(huì )對控制產(chǎn)生負面影響。采用微步模式時(shí)更易產(chǎn)生此問(wèn)題。
?? 步進(jìn)電機即使在靜止時(shí)也總是消耗最大電流，因此會(huì )降低效率并可能導致過(guò)熱。
?? 步進(jìn)電機扭矩小，在高速下會(huì )產(chǎn)生很大的噪音。
?? 步進(jìn)電機具有低功率密度和低扭矩慣性比。
總而言之，當您需要成本低廉、易于控制的解決方案，且對高速時(shí)的效率和扭矩要求不高時(shí)，步進(jìn)電機是最好的選擇。
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步進(jìn)電機的用途和應用
打印機：打印頭、進(jìn)紙、掃描條
3D打印機：XY軸工作臺驅動(dòng)器、介質(zhì)驅動(dòng)器
機器人：機械臂、末端執行件
單反相機：光圈/焦距調節
攝像頭：平移、傾斜、變焦、聚焦
雕刻機：XY二維工作臺運動(dòng)控制
自動(dòng)柜員機：紙幣移動(dòng)、托盤(pán)升降機
來(lái)源：MPS，作者：Carmine Fiore
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