一、什么是步進電機？

與所有電機一樣，步進電機也有定子和轉(zhuǎn)子，但與普通直流電機不同的是，定子由單獨的線圈組組成。線圈的數(shù)量會根據(jù)步進電機的類型而有所不同，但現(xiàn)在只需了解，在步進電機中，轉(zhuǎn)子由金屬極組成，每個極將被定子中的一組線圈吸引。下圖顯示了具有 8 個定子極和 6 個轉(zhuǎn)子極的步進電機。

如果你看一下定子上的線圈，它們是按線圈對排列的，比如 A 和 A' 形成一對，B 和 B' 形成一對，依此類推。因此，每個線圈對都形成一個電磁體，并且可以使用驅(qū)動電路單獨為它們通電。當線圈通電時，它充當磁鐵，轉(zhuǎn)子磁極與其對齊，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)以調(diào)整自身以與定子對齊時，稱為一步。類似地，通過按順序給線圈通電，我們可以小步旋轉(zhuǎn)電機以完成完整的旋轉(zhuǎn)。

二、步進電機的類型

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

1、單極步進電機

單極步進電機每相都有一個帶有中心抽頭的繞組。每個繞組部分針對每個方向的磁場而接通。通常，給定一個相，每個繞組的中心抽頭都是共用的：每相三個引線，典型的兩相電機有六個引線。通常，這些兩相公共端是內(nèi)部連接的，因此電機只有五根引線。因此，它具有 5、6 和 8 根引線，并通過每相輸入的中心抽頭運行一個繞組。此圖顯示了不同類型的單極步進電機及其引線配置，請參閱步進電機的數(shù)據(jù)表以了解更多信息。

2、雙極步進電機

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

三、步進電機的驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)

步進電機的驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)一般可以分為雙極性電機和單極性電機：單極性電機通過繞組的交替導通實現(xiàn)磁通方向的改變，雙極性電機通過H橋的控制實現(xiàn)電流方向的改變，從而實現(xiàn)磁通方向的改變。單極性電機只需要4顆功率MOS，對電流進行單極控制（從MOS管角度），但是電機繞線上需要多一個抽頭；雙極性電機在結(jié)構(gòu)上更簡單，兩個繞組利用率高，但是需要增加到8顆功率MOS進行驅(qū)動，控制器的成本會上升。

圖 單極性和雙極性步進電機驅(qū)動

步進電機除了在電機結(jié)構(gòu)上進行細分，還可以通過控制電流的波形來控制步進電機的細分精度。細分的原理是在最小的步距角之間插入模擬出來的正弦波電流，以對步距角進行細分，該細分方式也稱為電流細分。

圖 步進電機驅(qū)動電流的細分

四、驅(qū)動步進電機的方法

由于結(jié)構(gòu)復雜，步進電機需要特殊的電路來驅(qū)動它們。驅(qū)動步進電機的方法有很多種。在本教程中，我們將了解驅(qū)動電機的最常見方法。為了便于解釋，我們將考慮四相步進電機。

單勵磁模式：

這是驅(qū)動步進電機最基本的方式，雖然使用不多，但仍然值得了解以了解步進電機的驅(qū)動。在這種方法中，彼此相鄰的每個相或定子將使用特殊電路交替地被一一激活。這會使定子磁化和消磁，導致轉(zhuǎn)子一次移動一步。

全步驅(qū)動：

在該方法中，不是一次激活一個定子，而是在兩個定子之間間隔很短的時間間隔來激活兩個定子。在此模式下，任何兩個定子都將處于活動狀態(tài)。這意味著第一定子開啟，第二定子將在短時間間隔后開啟，而第一定子仍然開啟。這種方法會產(chǎn)生高扭矩，并使電機能夠驅(qū)動高負載。

五、步進電機的控制模式

步進電機的控制模式是實現(xiàn)其精確、高效運行的關鍵。下面將詳細闡述步進電機的幾種主要控制模式，并結(jié)合相關數(shù)字和信息進行說明。

1、開環(huán)控制

開環(huán)控制是步進電機最常見的控制方式之一。它通過控制輸入信號的頻率、脈沖數(shù)和電壓等參數(shù)來控制步進電機的旋轉(zhuǎn)角度和方向。這種控制方式適用于一些對定位精度要求不高的低端應用場景，如打印機、掃描儀、復印機等。開環(huán)控制的優(yōu)點是簡單易行，成本較低。然而，由于它無法檢測電機的實際位置和速度，因此存在定位精度不高、抗干擾性差、電流波動大等缺點。

2、閉環(huán)控制

為了解決開環(huán)控制存在的問題，人們研究出了閉環(huán)控制方式。閉環(huán)控制是通過在步進電機旋轉(zhuǎn)過程中檢測位置和速度信號，并通過反饋控制來控制步進電機的旋轉(zhuǎn)角度和位置。閉環(huán)控制具有定位精度高、抗干擾性強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，適用于一些高端應用場景，如機床、醫(yī)療設備、精密儀器等。在閉環(huán)控制中，常用的反饋信號包括編碼器信號、霍爾傳感器信號等。

3、基本控制模式

全步進模式

全步進模式是最簡單的控制模式，即每發(fā)送一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)動一個完整的步進角度。這種模式下，步進電機的轉(zhuǎn)動精度和轉(zhuǎn)速都比較低，適用于一些只需要較簡單控制的場景。全步進模式的步距角一般為1.8度（在不設置步進電機驅(qū)動器細分的情況下），即每輸入一個脈沖，步進電機轉(zhuǎn)動1.8度。

半步進模式

半步進模式在全步進模式的基礎上，將每個步進角度分成兩半，即每個脈沖只轉(zhuǎn)動一半的步進角度。相比全步進模式，半步進模式的轉(zhuǎn)動精度和轉(zhuǎn)速都有顯著提高。在半步進模式下，步距角為0.9度（當驅(qū)動器細分為2時），即每輸入一個脈沖，步進電機轉(zhuǎn)動0.9度。

微步進模式

微步進模式是在半步進模式的基礎上進行改進的。它通過調(diào)整每個步進角度的大小和方向，使得步進電機的轉(zhuǎn)動更加平滑和精確。微步進模式適用于一些對步進電機的轉(zhuǎn)動精度和平滑性要求較高的場景。在微步進模式下，步距角可以進一步細分，如0.1度或更小，從而實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)動精度。

變頻控制模式

變頻控制模式是通過調(diào)整步進電機驅(qū)動電機的頻率和電壓來達到對轉(zhuǎn)動角度和速度的控制。這種控制方式可以使步進電機的轉(zhuǎn)速更加穩(wěn)定和精確，適用于一些對步進電機轉(zhuǎn)速要求較高的應用場景。變頻控制模式可以通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

4、驅(qū)動模式

步進電機控制器主要有三種驅(qū)動模式：細分驅(qū)動模式、整步驅(qū)動模式和半步驅(qū)動模式。細分驅(qū)動模式具有低速振動極小和定位精度高的優(yōu)點；整步驅(qū)動模式每個脈沖將使電機移動一個基本步距角；而半步驅(qū)動模式則具有精度高一倍和低速運行時振動較小的優(yōu)點。

綜上所述，步進電機的控制模式多種多樣，每種模式都有其特點和適用場景。在實際應用中，需要根據(jù)具體的應用需求來選擇合適的控制模式和驅(qū)動模式。