什么是步進(jìn)電機(jī)？步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)

一、什么是步進(jìn)電機(jī)？

與所有電機(jī)一樣，步進(jìn)電機(jī)也有定子和轉(zhuǎn)子，但與普通直流電機(jī)不同的是，定子由單獨(dú)的線圈組組成。線圈的數(shù)量會(huì)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型而有所不同，但現(xiàn)在只需了解，在步進(jìn)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子由金屬極組成，每個(gè)極將被定子中的一組線圈吸引。下圖顯示了具有 8 個(gè)定子極和 6 個(gè)轉(zhuǎn)子極的步進(jìn)電機(jī)。

如果你看一下定子上的線圈，它們是按線圈對(duì)排列的，比如 A 和 A' 形成一對(duì)，B 和 B' 形成一對(duì)，依此類(lèi)推。因此，每個(gè)線圈對(duì)都形成一個(gè)電磁體，并且可以使用驅(qū)動(dòng)電路單獨(dú)為它們通電。當(dāng)線圈通電時(shí)，它充當(dāng)磁鐵，轉(zhuǎn)子磁極與其對(duì)齊，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)以調(diào)整自身以與定子對(duì)齊時(shí)，稱(chēng)為一步。類(lèi)似地，通過(guò)按順序給線圈通電，我們可以小步旋轉(zhuǎn)電機(jī)以完成完整的旋轉(zhuǎn)。

二、步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型

步進(jìn)電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)電裝置。同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)是一種無(wú)刷同步電機(jī)，可以將完整的旋轉(zhuǎn)分成大量的步數(shù)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)以正確的順序施加電命令脈沖時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的軸或心軸以不連續(xù)的步長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)，只要電機(jī)的尺寸適合應(yīng)用，就可以在沒(méi)有任何反饋機(jī)制的情況下精確控制電機(jī)的位置。如果沒(méi)有給定電源，它可以保持當(dāng)前位置，步進(jìn)電機(jī)分為單極和雙極。

1、單極步進(jìn)電機(jī)

單極步進(jìn)電機(jī)每相都有一個(gè)帶有中心抽頭的繞組。每個(gè)繞組部分針對(duì)每個(gè)方向的磁場(chǎng)而接通。通常，給定一個(gè)相，每個(gè)繞組的中心抽頭都是共用的：每相三個(gè)引線，典型的兩相電機(jī)有六個(gè)引線。通常，這些兩相公共端是內(nèi)部連接的，因此電機(jī)只有五根引線。因此，它具有 5、6 和 8 根引線，并通過(guò)每相輸入的中心抽頭運(yùn)行一個(gè)繞組。此圖顯示了不同類(lèi)型的單極步進(jìn)電機(jī)及其引線配置，請(qǐng)參閱步進(jìn)電機(jī)的數(shù)據(jù)表以了解更多信息。

2、雙極步進(jìn)電機(jī)

雙極電機(jī)每相有一對(duì)單繞組連接。為了反轉(zhuǎn)磁極，需要反轉(zhuǎn)繞組中的電流，因此驅(qū)動(dòng)電路必須更加復(fù)雜，通常采用 H 橋布置（但是有幾種現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)器芯片可使其成為簡(jiǎn)單的事情）。每相有兩條引線，不常見(jiàn)。它每相一個(gè)繞組，僅用4根引線連接兩組內(nèi)部電磁鐵線圈，通過(guò)改變流經(jīng)電機(jī)線圈的電流方向即可實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。這可能比單極更復(fù)雜，但 H 橋和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使其變得非常簡(jiǎn)單。

三、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)一般可以分為雙極性電機(jī)和單極性電機(jī)：?jiǎn)螛O性電機(jī)通過(guò)繞組的交替導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)磁通方向的改變，雙極性電機(jī)通過(guò)H橋的控制實(shí)現(xiàn)電流方向的改變，從而實(shí)現(xiàn)磁通方向的改變。單極性電機(jī)只需要4顆功率MOS，對(duì)電流進(jìn)行單極控制（從MOS管角度），但是電機(jī)繞線上需要多一個(gè)抽頭；雙極性電機(jī)在結(jié)構(gòu)上更簡(jiǎn)單，兩個(gè)繞組利用率高，但是需要增加到8顆功率MOS進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制器的成本會(huì)上升。

圖 單極性和雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)除了在電機(jī)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行細(xì)分，還可以通過(guò)控制電流的波形來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分精度。細(xì)分的原理是在最小的步距角之間插入模擬出來(lái)的正弦波電流，以對(duì)步距角進(jìn)行細(xì)分，該細(xì)分方式也稱(chēng)為電流細(xì)分。

圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的細(xì)分

四、驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的方法

由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，步進(jìn)電機(jī)需要特殊的電路來(lái)驅(qū)動(dòng)它們。驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的方法有很多種。在本教程中，我們將了解驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最常見(jiàn)方法。為了便于解釋?zhuān)覀儗⒖紤]四相步進(jìn)電機(jī)。

單勵(lì)磁模式：

這是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)最基本的方式，雖然使用不多，但仍然值得了解以了解步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。在這種方法中，彼此相鄰的每個(gè)相或定子將使用特殊電路交替地被一一激活。這會(huì)使定子磁化和消磁，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一次移動(dòng)一步。

全步驅(qū)動(dòng)：

在該方法中，不是一次激活一個(gè)定子，而是在兩個(gè)定子之間間隔很短的時(shí)間間隔來(lái)激活兩個(gè)定子。在此模式下，任何兩個(gè)定子都將處于活動(dòng)狀態(tài)。這意味著第一定子開(kāi)啟，第二定子將在短時(shí)間間隔后開(kāi)啟，而第一定子仍然開(kāi)啟。這種方法會(huì)產(chǎn)生高扭矩，并使電機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)高負(fù)載。

五、步進(jìn)電機(jī)的控制模式

步進(jìn)電機(jī)的控制模式是實(shí)現(xiàn)其精確、高效運(yùn)行的關(guān)鍵。下面將詳細(xì)闡述步進(jìn)電機(jī)的幾種主要控制模式，并結(jié)合相關(guān)數(shù)字和信息進(jìn)行說(shuō)明。

1、開(kāi)環(huán)控制

開(kāi)環(huán)控制是步進(jìn)電機(jī)最常見(jiàn)的控制方式之一。它通過(guò)控制輸入信號(hào)的頻率、脈沖數(shù)和電壓等參數(shù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和方向。這種控制方式適用于一些對(duì)定位精度要求不高的低端應(yīng)用場(chǎng)景，如打印機(jī)、掃描儀、復(fù)印機(jī)等。開(kāi)環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，成本較低。然而，由于它無(wú)法檢測(cè)電機(jī)的實(shí)際位置和速度，因此存在定位精度不高、抗干擾性差、電流波動(dòng)大等缺點(diǎn)。

2、閉環(huán)控制

為了解決開(kāi)環(huán)控制存在的問(wèn)題，人們研究出了閉環(huán)控制方式。閉環(huán)控制是通過(guò)在步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中檢測(cè)位置和速度信號(hào)，并通過(guò)反饋控制來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和位置。閉環(huán)控制具有定位精度高、抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于一些高端應(yīng)用場(chǎng)景，如機(jī)床、醫(yī)療設(shè)備、精密儀器等。在閉環(huán)控制中，常用的反饋信號(hào)包括編碼器信號(hào)、霍爾傳感器信號(hào)等。

3、基本控制模式

全步進(jìn)模式

全步進(jìn)模式是最簡(jiǎn)單的控制模式，即每發(fā)送一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)完整的步進(jìn)角度。這種模式下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度和轉(zhuǎn)速都比較低，適用于一些只需要較簡(jiǎn)單控制的場(chǎng)景。全步進(jìn)模式的步距角一般為1.8度（在不設(shè)置步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分的情況下），即每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1.8度。

半步進(jìn)模式

半步進(jìn)模式在全步進(jìn)模式的基礎(chǔ)上，將每個(gè)步進(jìn)角度分成兩半，即每個(gè)脈沖只轉(zhuǎn)動(dòng)一半的步進(jìn)角度。相比全步進(jìn)模式，半步進(jìn)模式的轉(zhuǎn)動(dòng)精度和轉(zhuǎn)速都有顯著提高。在半步進(jìn)模式下，步距角為0.9度（當(dāng)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分為2時(shí)），即每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0.9度。

微步進(jìn)模式

微步進(jìn)模式是在半步進(jìn)模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的。它通過(guò)調(diào)整每個(gè)步進(jìn)角度的大小和方向，使得步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)更加平滑和精確。微步進(jìn)模式適用于一些對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度和平滑性要求較高的場(chǎng)景。在微步進(jìn)模式下，步距角可以進(jìn)一步細(xì)分，如0.1度或更小，從而實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)動(dòng)精度。

變頻控制模式

變頻控制模式是通過(guò)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的頻率和電壓來(lái)達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度的控制。這種控制方式可以使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速更加穩(wěn)定和精確，適用于一些對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。變頻控制模式可以通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

4、驅(qū)動(dòng)模式

步進(jìn)電機(jī)控制器主要有三種驅(qū)動(dòng)模式：細(xì)分驅(qū)動(dòng)模式、整步驅(qū)動(dòng)模式和半步驅(qū)動(dòng)模式。細(xì)分驅(qū)動(dòng)模式具有低速振動(dòng)極小和定位精度高的優(yōu)點(diǎn)；整步驅(qū)動(dòng)模式每個(gè)脈沖將使電機(jī)移動(dòng)一個(gè)基本步距角；而半步驅(qū)動(dòng)模式則具有精度高一倍和低速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較小的優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，步進(jìn)電機(jī)的控制模式多種多樣，每種模式都有其特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求來(lái)選擇合適的控制模式和驅(qū)動(dòng)模式。