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步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)：類型、用途和工作原理

發(fā)布時(shí)間：2021-12-20 來源：MPS，Carmine Fiore 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】步進(jìn)電機(jī)是一種通過步進(jìn)（即以固定的角度移動(dòng)）方式使軸旋轉(zhuǎn)的電機(jī)。其內(nèi)部構(gòu)造使它無需傳感器，通過簡單的步數(shù)計(jì)算即可獲知軸的確切角位置。這種特性使它適用于多種應(yīng)用。本文將為您介紹步進(jìn)電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括其工作原理、構(gòu)造、控制方法、用途、類型及其優(yōu)缺點(diǎn)。

步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

步進(jìn)電機(jī)是一種通過步進(jìn)（即以固定的角度移動(dòng)）方式使軸旋轉(zhuǎn)的電機(jī)。其內(nèi)部構(gòu)造使它無需傳感器，通過簡單的步數(shù)計(jì)算即可獲知軸的確切角位置。這種特性使它適用于多種應(yīng)用。

步進(jìn)電機(jī)工作原理

與所有電機(jī)一樣，步進(jìn)電機(jī)也包括固定部分（定子）和活動(dòng)部分（轉(zhuǎn)子）。定子上有纏繞了線圈的齒輪狀突起，而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖1顯示的電機(jī)截面圖，其轉(zhuǎn)子為可變磁阻鐵芯。

圖1: 步進(jìn)電機(jī)截面圖

步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理為：給一個(gè)或多個(gè)定子相位通電，線圈中通過的電流會(huì)產(chǎn)生磁場，而轉(zhuǎn)子會(huì)與該磁場對齊；依次給不同的相位施加電壓，轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn)特定的角度并最終到達(dá)需要的位置。圖2顯示了其工作原理。首先，線圈A通電并產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子與該磁場對齊；線圈B通電后，轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°以與新的磁場對齊；線圈C通電后也會(huì)出現(xiàn)同樣的情況。下圖中定子小齒的顏色指示出定子繞組產(chǎn)生的磁場方向。

圖2: 步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)

步進(jìn)電機(jī)的類型與構(gòu)造

步進(jìn)電機(jī)的性能（無論是分辨率/步距、速度還是扭矩）都受構(gòu)造細(xì)節(jié)的影響，同時(shí)，這些細(xì)節(jié)也可能會(huì)影響電機(jī)的控制方式。實(shí)際上，并非所有步進(jìn)電機(jī)都具有相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（或構(gòu)造），因?yàn)椴煌姍C(jī)的轉(zhuǎn)子和定子配置都不同。

轉(zhuǎn)子

步進(jìn)電機(jī)基本上有三種類型的轉(zhuǎn)子：

?? 永磁轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子為永磁體，與定子電路產(chǎn)生的磁場對齊。這種轉(zhuǎn)子可以保證良好的扭矩，并具有制動(dòng)扭矩。這意味著，無論線圈是否通電，電機(jī)都能抵抗（即使不是很強(qiáng)烈）位置的變化。但與其他轉(zhuǎn)子類型相比，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(jī)的截面圖。

圖3: 永磁步進(jìn)電機(jī)

?? 可變磁阻轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子由鐵芯制成，其形狀特殊，可以與磁場對齊（請參見圖1和圖2）。這種轉(zhuǎn)子更容易實(shí)現(xiàn)高速度和高分辨率，但它產(chǎn)生的扭矩通常較低，并且沒有制動(dòng)扭矩。

?? 混合式轉(zhuǎn)子：這種轉(zhuǎn)子具有特殊的結(jié)構(gòu)，它是永磁體和可變磁阻轉(zhuǎn)子的混合體。其轉(zhuǎn)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(jī)同時(shí)具有永磁體和可變磁阻轉(zhuǎn)子的優(yōu)勢，尤其是具有高分辨率、高速度和大扭矩。當(dāng)然更高的性能要求意味著更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和更高的成本。圖3顯示了這種電機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化示意圖。線圈A通電后，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子S磁帽與磁化為N的定子齒對齊。盡管步進(jìn)電機(jī)的工作原理是相同的，但實(shí)際電機(jī)的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，齒數(shù)要比圖中所示的更多。大量的齒數(shù)可以使電機(jī)獲得極小的步進(jìn)角度，小至0.9°。

圖4: 混合式步進(jìn)電機(jī)

定子

定子是電機(jī)的一部分，負(fù)責(zé)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子與之對齊的磁場。定子電路的主要特性與其相數(shù)、極對數(shù)以及導(dǎo)線配置相關(guān)。相數(shù)是獨(dú)立線圈的數(shù)量，極對數(shù)則表示每相占用的主要齒對。兩相步進(jìn)電機(jī)最常用，三相和五相電機(jī)則較少使用（請參見圖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 +和A-之間施加正電壓時(shí)產(chǎn)生的磁場用字母N和S表示。

步進(jìn)電機(jī)的控制

從上文我們知道，電機(jī)線圈需要按特定的順序通電，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)子將與之對齊的磁場。可以向線圈提供必要的電壓以使電機(jī)正常運(yùn)行的設(shè)備有以下幾種（從距離電機(jī)更近的設(shè)備開始）：

● 晶體管橋：從物理上控制電機(jī)線圈電氣連接的設(shè)備。晶體管可以看作是電控?cái)嗦菲鳎]合時(shí)線圈連接到電源，線圈中才有電流通過。每個(gè)電機(jī)相位都需要一個(gè)晶體管電橋。

● 預(yù)驅(qū)動(dòng)器：控制晶體管激活的設(shè)備，它由MCU控制以提供所需的電壓和電流。

● MCU：通常由電機(jī)用戶編程控制的微控制器單元，它為預(yù)驅(qū)動(dòng)器生成特定信號(hào)以獲得所需的電機(jī)行為。

圖7為步進(jìn)電機(jī)控制方案的簡單示意圖。預(yù)驅(qū)動(dòng)器和晶體管電橋可以包含在單個(gè)設(shè)備中，即驅(qū)動(dòng)器。

圖7: 電機(jī)控制基本方案

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器類型

市面上有各種不同的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它們針對特定應(yīng)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(qū)動(dòng)器即改變其輸出使電機(jī)執(zhí)行一次步進(jìn)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向則由Direction引腳上的電平來決定。

● Phase/Enable（相位/使能） –對每相的定子繞組來說，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(hào)。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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繞組的電流：

● 擁有電壓控制功能，驅(qū)動(dòng)器可以調(diào)節(jié)繞組上的電壓，產(chǎn)生的扭矩和步進(jìn)速度僅取決于電機(jī)和負(fù)載特性。

● 電流控制驅(qū)動(dòng)器更加先進(jìn)，因?yàn)樗鼈兛梢哉{(diào)節(jié)流經(jīng)有源線圈的電流，更好地控制產(chǎn)生的扭矩，從而更好地控制整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。

單極/雙極電機(jī)

另一個(gè)可能對電機(jī)控制產(chǎn)生影響的特性是其定子線圈的布置，它決定了電流方向的變化方式。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)，不僅要給線圈通電，還要控制電流的方向，而電流方向決定了線圈本身產(chǎn)生的磁場方向（見圖8）。

步進(jìn)電機(jī)可以通過兩種不同的方法來控制電流的方向。

圖8: 根據(jù)線圈電流方向控制磁場方向

在單極步進(jìn)電機(jī)中，線圈的中心點(diǎn)連有一根引線（請參見圖9），這樣可以通過相對簡單的電路和組件來控制電流方向。該中央引線（AM）連接輸入電壓VIN（見圖8）。如果MOSFET 1導(dǎo)通，則電流從AM流向A +。如果MOSFET 2導(dǎo)通，則電流從AM流向A-，在相反方向上產(chǎn)生磁場。如上所述，這種方法可以簡化驅(qū)動(dòng)電路（僅需要兩個(gè)半導(dǎo)體），但缺點(diǎn)是一次僅使用了電機(jī)中銅導(dǎo)體的一半，這意味著如果線圈中流過相同的電流，則磁場強(qiáng)度僅為使用全部銅導(dǎo)體時(shí)的一半。另外，由于電機(jī)輸入引線更多，這類電機(jī)較難構(gòu)造。

圖9: 單極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在雙極步進(jìn)電機(jī)中，每個(gè)線圈只有兩條引線，而且為了控制方向，必須使用H橋（請參見圖10）。如圖8所示，如果MOSFET 1和4導(dǎo)通，則電流從A +流向A-；如果MOSFET 2和3導(dǎo)通，則電流從A-流向A +，產(chǎn)生相反方向的磁場。這種方案需要更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路，但可以最大限度利用電機(jī)銅量而實(shí)現(xiàn)最大扭矩。

圖10: 雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，單極電機(jī)的優(yōu)勢逐步弱化，雙極步進(jìn)電機(jī)成為目前最流行的電機(jī)類型。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

步進(jìn)電機(jī)主要有四種不同的驅(qū)動(dòng)技術(shù)：

?? 波動(dòng)模式：一次僅一個(gè)相位通電（見圖11）。為簡單起見，如果電流從某相的正引線流向負(fù)引線（例如，從A +到A-），則我們稱為正向流動(dòng)；否則，稱為負(fù)向流動(dòng)。從下圖左側(cè)開始，電流僅在A相中正向流動(dòng)，而用磁體代表的轉(zhuǎn)子與其所產(chǎn)生的磁場對齊。接著，電流僅在B相中正向流動(dòng)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°以與B相產(chǎn)生的磁場對齊。隨后，A相再次通電，但電流負(fù)向流動(dòng) ，轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)90°。最后，電流在B相中負(fù)向流動(dòng)，而轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)模式的步進(jìn)步驟。其步驟與波動(dòng)模式類似，最大的區(qū)別在于，全步模式下，由于電機(jī)中流動(dòng)的電流更多，產(chǎn)生的磁場也更強(qiáng)，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（請參見圖12）。這種模式可以將步距減小一倍（旋轉(zhuǎn)45°，而不是90°）。其唯一的缺點(diǎn)是電機(jī)產(chǎn)生的扭矩不是恒定的，當(dāng)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(qiáng)版，因?yàn)樗梢赃M(jìn)一步減小步距，并且具有恒定的扭矩輸出。這是通過控制每相流過的電流強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的。與其他方案相比，微步模式需要更復(fù)雜的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。圖14顯示了微步模式的工作原理。假設(shè)IMAX是一個(gè)相位中可以通過的最大電流，則從圖中左側(cè)開始，在第一個(gè)圖中IA = IMAX，IB = 0。下一步，控制電流以達(dá)到IA = 0.92 x IMAX，IB = 0.38 x IMAX，它產(chǎn)生的磁場與前一個(gè)磁場相比順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了22.5°。控制電流達(dá)到不同的電流值并重復(fù)此步驟，將磁場旋轉(zhuǎn)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(dá)到非常高的位置分辨率，但其代價(jià)是需要更復(fù)雜的設(shè)備來控制電機(jī)，并且每次步進(jìn)產(chǎn)生的扭矩也更小。扭矩與定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場之間的夾角正弦成正比；因此，當(dāng)步距較小時(shí)，扭矩也較小。這有可能會(huì)導(dǎo)致丟步，也就是說，即使定子繞組中的電流發(fā)生了變化，轉(zhuǎn)子的位置也可能不改變。