步进电机基础知识：类型、用途和工作原理

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Carmine Fiore

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本文将为您介绍步进电机的基础知识，包括其工作原理、构造、控制方法、用途、类型及其优缺点。

步进电机基础知识

步进电机是一种通过步进（即以固定的角度移动）方式使轴旋转的电机。其内部构造使它无需传感器，通过简单的步数计算即可获知轴的确切角位置。这种特性使它适用于多种应用。

步进电机工作原理

与所有电机一样，步进电机也包括固定部分（定子）和活动部分（转子）。定子上有缠绕了线圈的齿轮状突起，而转子为永磁体或可变磁阻铁芯。稍后我们将更深入地介绍不同的转子结构。图1显示的电机截面图，其转子为可变磁阻铁芯。

图1: 步进电机截面图

步进电机的基本工作原理为：给一个或多个定子相位通电，线圈中通过的电流会产生磁场，而转子会与该磁场对齐；依次给不同的相位施加电压，转子将旋转特定的角度并最终到达需要的位置。图2显示了其工作原理。首先，线圈A通电并产生磁场，转子与该磁场对齐；线圈B通电后，转子顺时针旋转60°以与新的磁场对齐；线圈C通电后也会出现同样的情况。下图中定子小齿的颜色指示出定子绕组产生的磁场方向。

图2: 步进电机的步进

步进电机的类型与构造

步进电机的性能（无论是分辨率/步距、速度还是扭矩）都受构造细节的影响，同时，这些细节也可能会影响电机的控制方式。实际上，并非所有步进电机都具有相同的内部结构（或构造），因为不同电机的转子和定子配置都不同。

转子

步进电机基本上有三种类型的转子：

• 永磁转子：转子为永磁体，与定子电路产生的磁场对齐。这种转子可以保证良好的扭矩，并具有制动扭矩。这意味着，无论线圈是否通电，电机都能抵抗（即使不是很强烈）位置的变化。但与其他转子类型相比，其缺点是速度和分辨率都较低。图3显示了永磁步进电机的截面图。

图3: 永磁步进电机

• 可变磁阻转子：转子由铁芯制成，其形状特殊，可以与磁场对齐（请参见图1和图2）。这种转子更容易实现高速度和高分辨率，但它产生的扭矩通常较低，并且没有制动扭矩。
• 混合式转子：这种转子具有特殊的结构，它是永磁体和可变磁阻转子的混合体。其转子上有两个轴向磁化的磁帽，并且磁帽上有交替的小齿。这种配置使电机同时具有永磁体和可变磁阻转子的优势，尤其是具有高分辨率、高速度和大扭矩。当然更高的性能要求意味着更复杂的结构和更高的成本。图3显示了这种电机结构的简化示意图。线圈A通电后，转子N磁帽的一个小齿与磁化为S的定子齿对齐。与此同时，由于转子的结构，转子S磁帽与磁化为N的定子齿对齐。尽管步进电机的工作原理是相同的，但实际电机的结构更复杂，齿数要比图中所示的更多。大量的齿数可以使电机获得极小的步进角度，小至0.9°。

图4: 混合式步进电机

定子

定子是电机的一部分，负责产生转子与之对齐的磁场。定子电路的主要特性与其相数、极对数以及导线配置相关。相数是独立线圈的数量，极对数则表示每相占用的主要齿对。两相步进电机最常用，三相和五相电机则较少使用（请参见图5和图6）。

Two-phase stator winding (left), three-phase stator winding (right)

图5: 两相定子绕组（左）和三相定子绕组（右）

Two-phase, one pole pair stator (left), two-phase, two pole pair stator (right). The letters show the magnetic field generated when positive voltage is applied between A+ and A-

图6：两相单极定子（左）和两相双极定子（右）。在A +和A-之间施加正电压时产生的磁场用字母N和S表示。

步进电机的控制

从上文我们知道，电机线圈需要按特定的顺序通电，以产生转子将与之对齐的磁场。可以向线圈提供必要的电压以使电机正常运行的设备有以下几种（从距离电机更近的设备开始）：

晶体管桥：从物理上控制电机线圈电气连接的设备。晶体管可以看作是电控断路器，它闭合时线圈连接到电源，线圈中才有电流通过。每个电机相位都需要一个晶体管电桥。
预驱动器：控制晶体管激活的设备，它由MCU控制以提供所需的电压和电流。
MCU：通常由电机用户编程控制的微控制器单元，它为预驱动器生成特定信号以获得所需的电机行为。

图7为步进电机控制方案的简单示意图。预驱动器和晶体管电桥可以包含在单个设备中，即驱动器。

图7: 电机控制基本方案

步进电机驱动器类型

市面上有各种不同的步进电机驱动器，它们针对特定应用具有不同的功能。但其最重要的特性之一与输入接口有关，最常见的几种输入接口包括：

Step/Direction （步进/方向） –在Step引脚上发送一个脉冲，驱动器即改变其输出使电机执行一次步进，转动方向则由Direction引脚上的电平来决定。
Phase/Enable（相位/使能） –对每相的定子绕组来说，Enable决定该相是否通电， Phase决定该相电流方向，。
PWM – 直接控制上下管FET的栅极信号。

步进电机驱动器的另一个重要特性是，除了控制绕组两端的电压，它是否还可以控制流过绕组的电流：

拥有电压控制功能，驱动器可以调节绕组上的电压，产生的扭矩和步进速度仅取决于电机和负载特性。
电流控制驱动器更加先进，因为它们可以调节流经有源线圈的电流，更好地控制产生的扭矩，从而更好地控制整个系统的动态行为。

单极/双极电机

另一个可能对电机控制产生影响的特性是其定子线圈的布置，它决定了电流方向的变化方式。为了实现转子的运动，不仅要给线圈通电，还要控制电流的方向，而电流方向决定了线圈本身产生的磁场方向（见图8）。

步进电机可以通过两种不同的方法来控制电流的方向。

Direction of the magnetic field based on the direction of the coil current

图8: 根据线圈电流方向控制磁场方向

在单极步进电机中，线圈的中心点连有一根引线（请参见图9），这样可以通过相对简单的电路和组件来控制电流方向。该中央引线（AM）连接输入电压VIN（见图8）。如果MOSFET 1导通，则电流从AM流向A +。如果MOSFET 2导通，则电流从AM流向A-，在相反方向上产生磁场。如上所述，这种方法可以简化驱动电路（仅需要两个半导体），但缺点是一次仅使用了电机中铜导体的一半，这意味着如果线圈中流过相同的电流，则磁场强度仅为使用全部铜导体时的一半。另外，由于电机输入引线更多，这类电机较难构造。

图9: 单极步进电机驱动电路

在双极步进电机中，每个线圈只有两条引线，而且为了控制方向，必须使用H桥（请参见图10）。如图8所示，如果MOSFET 1和4导通，则电流从A +流向A-；如果MOSFET 2和3导通，则电流从A-流向A +，产生相反方向的磁场。这种方案需要更复杂的驱动电路，但可以最大限度利用电机铜量而实现最大扭矩。

图10: 双极步进电机驱动电路

随着技术的不断进步，单极电机的优势逐步弱化，双极步进电机成为目前最流行的电机类型。

步进电机驱动技术

步进电机主要有四种不同的驱动技术：

• 波动模式：一次仅一个相位通电（见图11）。为简单起见，如果电流从某相的正引线流向负引线（例如，从A +到A-），则我们称为正向流动；否则，称为负向流动。从下图左侧开始，电流仅在A相中正向流动，而用磁体代表的转子与其所产生的磁场对齐。接着，电流仅在B相中正向流动，转子顺时针旋转90°以与B相产生的磁场对齐。随后，A相再次通电，但电流负向流动，转子再次旋转90°。最后，电流在B相中负向流动，而转子再次旋转90°。

图11: 波动模式步进

全步模式：两相始终同时通电。图12显示了该驱动模式的步进步骤。其步骤与波动模式类似，最大的区别在于，全步模式下，由于电机中流动的电流更多，产生的磁场也更强，因此扭矩也更大。

图12: 全步模式步进

半步模式是波动模式和全步模式的组合（请参见图12）。这种模式可以将步距减小一倍（旋转45°，而不是90°）。其唯一的缺点是电机产生的扭矩不是恒定的，当两相都通电时扭矩较高，只有一相通电时扭矩较小。

图13: 半步模式步进

• 微步模式：可以看作是半步模式的增强版，因为它可以进一步减小步距，并且具有恒定的扭矩输出。这是通过控制每相流过的电流强度来实现的。与其他方案相比，微步模式需要更复杂的电机驱动器。图14显示了微步模式的工作原理。假设IMAX是一个相位中可以通过的最大电流，则从图中左侧开始，在第一个图中IA = IMAX，IB = 0。下一步，控制电流以达到IA = 0.92 x IMAX，IB = 0.38 x IMAX，它产生的磁场与前一个磁场相比顺时针旋转了22.5°。控制电流达到不同的电流值并重复此步骤，将磁场旋转45°、67.5°和90°。与半步模式相比，它将步距减少了一半；但还可以减少更多。使用微步模式可以达到非常高的位置分辨率，但其代价是需要更复杂的设备来控制电机，并且每次步进产生的扭矩也更小。扭矩与定子磁场和转子磁场之间的夹角正弦成正比；因此，当步距较小时，扭矩也较小。这有可能会导致丢步，也就是说，即使定子绕组中的电流发生了变化，转子的位置也可能不改变。

图14: 微步模式步进

步进电机的优缺点

现在我们已了解了步进电机的工作原理，再总结一下各类电机的优缺点将非常有帮助。

优点：

得益于其内部结构，步进电机不需要传感器来检测电机位置。步进电机是通过执行“步进”来运动的，因此只需简单地计算步数就可以获得给定时间的电机位置。
此外，步进电机的控制非常简单。它也需要驱动器，但不需要复杂的计算或调整即可正常工作。与其他电机相比，其控制工作量通常很小。而且，如果采用微步模式，还可以实现高达0.007°的位置精度。
步进电机在低速时可提供良好的扭矩，也可以很好的保持位置，而且使用寿命长。