工業現場中有大量的步進電機應用，比如自動化控制，機器人關節，打印機控制等等。其中應用最廣泛的是混合式步進電機，也是我們日常接觸到的絕大部分步進電機的形式。在概念上，步進電機和變磁阻電機也存在一定的聯系和差別，本文就初步淺談一下磁阻電機/步進電機的結構和工作原理，并且比較一下不同電機之間的差別。

1、變磁阻電機

變磁阻電機(Variable-Reluctance Machine)也被稱為開關磁阻電機，也許是所有電機結構中最簡單的電機，由裝有勵磁繞組的定子和具有凸極結構的鐵磁轉子構成。轉子沒有線圈繞組以及永磁體，依靠轉子在不同位置磁阻的變化產生電磁力(dΨ/dθ)。我們知道，磁通總是傾向穿過磁阻最小的路徑。如圖1.1所示，S1 S2控制電流開啟和關斷，VD1 VD2 為電流的續流二極管。圖示位置中AA'和aa'的位置磁阻最大，CC'的磁阻最小，如果此時D相通電，轉子將逆時針旋轉;如果此時B相通電，轉子將順時針旋轉;如果此時A相通電，轉子保持維持不變。需要注意的是，開關磁阻電機無法通過電流方向的改變實現電機轉動方向的改變，而是通過改變通電時序的變化實現電機的正反轉。

順時針旋轉通電順序：B-A-D-C

逆時針旋轉通電順訊：D-A-B-C

由于電機在轉動過程中磁阻的變化劇烈，因此磁阻電機的轉矩脈動將變得很高，為了保證電機能夠平穩高效的運行，控制磁阻電機需要知道轉子的位置，負載的狀態，速度的狀態等信息。并且磁阻電機的模型沒有永磁同步電機/異步電機有很好線性度，需要大量的預測模型和算法進行控制精度的提升，這無疑是增加了磁阻電機控制的難度。

圖1.1 變磁阻電機的基本結構

2、從變磁阻電機到步進電機

變磁阻電機由于其特殊的控制方式(脈沖式交替導通)，增加定子和轉子的突極數量或者增加定子的通電相數，可以將移動角度進行細分。這種細分的結構有很多種，角扭矩特性也不一樣，就不展開進行討論。本文將探討幾種常見的變磁阻電機機構，從不同的維度看看步進電機是如何從千變萬化的變磁阻電機結構中脫穎而出的。

2.1 城堡式變磁阻電機

前面說到增加突極數量，可以將移動的角度進行細分，但是越多的突極將會占用大量的線圈空間，電機繞線效率降低，不能無限制的增加突極。在驅動相數不變的情況下，通過在突極上刻上一個個小齒，同樣可以將機距角進行細分。如圖2.1所示，為三相城堡式變磁阻電機，定子為6極，每極4齒，轉子為28極。依次對線圈1，線圈2，線圈3進行通電，可以驅動轉子旋轉，每一步的步進距離為2β/3。β值需要根據電機設計的齒槽比進行設計，這里不展開討論。

這種電機一般應用在低速、大扭矩和精密角度分辨率的場合，這種結構已經可以稱為“步進電機”，因為該電機的控制以及可以脫離位置檢測，通過脈沖序列驅動就能實現比較平穩的控制。

圖2.1 三相城堡式變磁阻電機

2.2 多段式變磁阻電機

由單個轉子和具有多相繞組構成的變磁阻電機，也被稱為“單段式變磁阻電機”。另外一種變磁阻電機是將轉子和定子分為很多段，可以在不增加定子相數的情況下進行細分，并且對定子的繞線結構更友好，可以設置一段一相，幾乎取消的多相電機互繞的端部。對于n段電機，各段的轉子或者定子錯開其極距角的1/n，可將極距進一步進行n倍細分。

圖2.2 三段三相式變磁阻電機

2.3 混合式步進電機

單純的變磁阻電機，旋轉的方向取決于脈沖電流的時序和電機磁阻結構，而不受電流方向的影響。在不通電流的情況下，由于沒有磁阻轉矩，轉子不能固定在特定的位置，這將進一步增加控制的難度。在原有的開關磁阻電機的結構基礎上加入永磁體，構成永磁式或者混合式變磁阻電機，能夠顯著提高步進電機的轉矩和位置精度，這也是目前最常見的步進電機的結構。

如圖2.2所示，混合式步進電機結構上很像多段式變磁阻電機，在轉子的兩段之間插入永磁體，可以看出在近端為N極遠端為S極。定子可以設計為單段電機的結構，并且只需要兩相驅動，大大簡化了電機結構和成本。圖示電機的轉子極對數為3，因此一個電周期對應的機械角度為360/(2*3)=60。

為了便于理解，θ為機械角度，具體的驅動順序：

θ=0~10，相1和相2 同時通幅值相等的正電流

θ=10~20，相2單獨通正電流

θ=20~30，相1單獨通負電流

θ=30~40，相1和相2 同時通幅值相等的負電流

θ=40~50，相2單獨通負電流

θ=50~60，相1單獨通正電流

循環導通……

圖2.2 混合式步進電機結構

3、步進電機的控制

如圖3.1所示，步進電機的驅動電路結構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磁通方向的改變，雙極性電機通過H橋的控制實現電流方向的改變，從而實現磁通方向的改變。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;雙極性電機在結構上更簡單，兩個繞組利用率高，但是需要增加到8顆功率MOS進行驅動，控制器的成本會上升。

圖3.1 單極性和雙極性步進電機驅動

步進電機除了在電機結構上進行細分，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3.2 步進電機驅動電流的細分

3.1 電流閉環

步進電機的電流的設定需要根據負載的需求的進行確定，負載越大需要的驅動電流越大，但是開環控制的步進電機無法感知負載的大小，往往造成了開環驅動的效率不高。電流細分需要對電流進行精確的控制，需要形成受控電流的閉環，也即是電流輸出為恒流特性;另一方面，由于步進電機中的磁阻變化的非線性，需要時刻監控輸出電流的大小防止由于鐵芯飽和導致電流的失控。如下圖3.3，為步進電機驅動芯片TB67S109AFNG對電流控制的波形原理圖。Fchop為內部開關周期，通過內部時鐘(Internal OSC)分頻得到。

具體的恒流控制步驟如下：

H橋導通，電流迅速上升至NF，電流上升的斜率為VDC/Ls

到達設定的電流點NF，關斷H橋，電流通過續流二極管進行續流，下降的斜率為-VDC/Ls(Fast變化)

當電流到達設定點下線值，控制H橋進行電感線圈短路(一般為下橋)，保持電流不變(Slow變化)

當電流的設定點發生變化，H橋通過相同的控制策略控制電流在最新的電流設定點保持恒定

如圖 3.4所示，是步進電機的實測波形，如果細分的精度較低可以看出明顯的階梯狀電流波形,。如果細分的程度很高，那么電流就越接近于正弦電流，如圖3.5所示。

圖3.3 TB67S109AFNG電流控制

圖3.4 步進電機實測電流(未細分)

圖3.5 步進電機實測電流(細分)

3.2 開環控制和閉環控制

開環控制，由于不反饋轉子位置信息，本質上是不知道系統是否被控制跟隨的。如果存在一些負載異常突變，很容易造成步進電機的丟步。在一些高精度、高性能的應用場合，可以通過編碼器或者其他的位置傳感器回傳位置信息，這樣在可以步進驅動系統是否已經發生丟步，如果丟步將補發丟失的脈沖，在控制上也是比較容易實現的。

圖3.6 閉環步進控制系統

小結

本文簡述了變磁阻電機的基本結構及其向步進電機的演變，比較了幾種常見的步進電機結構及控制邏輯。介紹了步進電機控制原理及電流細分的控制細節，對步進電機具有比較全面的了解。