【導讀】步進電機是一種通過步進（即以固定的角度移動）方式使軸旋轉的電機。其內部構造使它無需傳感器，通過簡單的步數計算即可獲知軸的確切角位置。這種特性使它適用于多種應用。本文將為您介紹步進電機的基礎知識，包括其工作原理、構造、控制方法、用途、類型及其優缺點。
步進電機基礎知識
步進電機是一種通過步進（即以固定的角度移動）方式使軸旋轉的電機。其內部構造使它無需傳感器，通過簡單的步數計算即可獲知軸的確切角位置。這種特性使它適用于多種應用。
步進電機工作原理
與所有電機一樣，步進電機也包括固定部分（定子）和活動部分（轉子）。定子上有纏繞了線圈的齒輪狀突起，而轉子為 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子結構。圖1顯示的電機截面圖，其轉子為可變磁阻鐵芯。
圖1: 步進電機截面圖
步進電機的基本工作原理為：給一個或多個定子相位通電，線圈中通過的電流會產生磁場，而轉子會與該磁場對齊；依次給不同的相位施加電壓，轉子將旋轉特定的角度并最終到達需要的位置。圖2顯示了其工作原理。首先，線圈A通電并產生磁場，轉子與該磁場對齊；線圈B通電后，轉子順時針旋轉60°以與新的磁場對齊；線圈C通電后也會出現同樣的情況。下圖中定子小齒的顏色指示出定子繞組產生的磁場方向。
圖2: 步進電機的步進
步進電機的類型與構造
步進電機的性能（無論是分辨率/步距、速度還是扭矩）都受構造細節的影響，同時，這些細節也可能會影響電機的控制方式。實際上，并非所有步進電機都具有相同的內部結構（或構造），因為不同電機的轉子和定子配置都不同。
轉子
步進電機基本上有三種類型的轉子：
?? 永磁轉子：轉子為永磁體，與定子電路產生的磁場對齊。這種轉子可以保證良好的扭矩，并具有制動扭矩。這意味著，無論線圈是否通電，電機都能抵抗（即使不是很強烈）位置的變化。但與其他轉子類型相比，其缺點是速度和分辨率都較低。圖3顯示了永磁步進電機的截面圖。
圖3: 永磁步進電機
?? 可變磁阻轉子：轉子由鐵芯制成，其形狀特殊，可以與磁場對齊（請參見圖1和圖2）。這種轉子更容易實現高速度和高分辨率，但它產生的扭矩通常較低，并且沒有制動扭矩。
?? 混合式轉子：這種轉子具有特殊的結構，它是永磁體和可變磁阻轉子的混合體。其轉子上有兩個軸向磁化的磁帽，并且磁帽上有交替的小齒。這種配置使電機同時具有永磁體和可變磁阻轉子的優勢，尤其是具有高分辨率、高速度和大扭矩。當然更高的性能要求意味著更復雜的結構和更高的成本。圖3顯示了這種電機結構的簡化示意圖。線圈A通電后，轉子N磁帽的一個小齒與磁化為S的定子齒對齊。與此同時，由于轉子的結構，轉子S磁帽與磁化為N的定子齒對齊。盡管步進電機的工作原理是相同的，但實際電機的結構更復雜，齒數要比圖中所示的更多。大量的齒數可以使電機獲得極小的步進角度，小至0.9°。
圖4: 混合式步進電機
定子
定子是電機的一部分，負責產生轉子與之對齊的磁場。定子電路的主要特性與其相數、極對數以及導線配置相關。 相數是獨立線圈的數量，極對數則表示每相占用的主要齒對。兩相步進電機最常用，三相和五相電機則較少使用（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-之間施加正電壓時產生的磁場用字母N和S表示。
步進電機的控制
從上文我們知道，電機線圈需要按特定的順序通電，以產生轉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正常運行的設備有以下幾種（從距離電機更近的設備開始）：
● 晶體管橋：從物理上控制電機線圈電氣連接的設備。晶體管可以看作是電控斷路器，它閉合時線圈連接到電源，線圈中才有電流通過。每個電機相位都需要一個晶體管電橋。
● 預驅動器：控制晶體管激活的設備，它由MCU控制以提供所需的電壓和電流。
● MCU：通常由電機用戶編程控制的微控制器單元，它為預驅動器生成特定信號以獲得所需的電機行為。
圖7為步進電機控制方案的簡單示意圖。預驅動器和晶體管電橋可以包含在單個設備中，即驅動器。
圖7: 電機控制基本方案
步進電機驅動器類型
市面上有各種不同的 步進電機驅動器，它們針對特定應用具有不同的功能。但其最重要的特性之一與輸入接口有關，最常見的幾種輸入接口包括：
● Step/Direction （步進/方向） –在Step引腳上發送一個脈沖，驅動器即改變其輸出使電機執行一次步進，轉動方向則由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。
步進電機驅動器的另一個重要特性是，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，驅動器可以調節繞組上的電壓，產生的扭矩和步進速度僅取決于電機和負載特性。
● 電流控制驅動器更加先進，因為它們可以調節流經有源線圈的電流，更好地控制產生的扭矩，從而更好地控制整個系統的動態行為。
單極/雙極電機
另一個可能對電機控制產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。為了實現轉子的運動，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生的磁場方向（見圖8）。
步進電機可以通過兩種不同的方法來控制電流的方向。
圖8: 根據線圈電流方向控制磁場方向
在單極步進電機中，線圈的中心點連有一根引線（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導通，則電流從AM流向A +。如果MOSFET 2導通，則電流從AM流向A-，在相反方向上產生磁場。如上所述，這種方法可以簡化驅動電路（僅需要兩個半導體），但缺點是一次僅使用了電機中銅導體的一半，這意味著如果線圈中流過相同的電流 ，則磁場強度僅為使用全部銅導體時的一半。另外，由于電機輸入引線更多，這類電機較難構造。
圖9: 單極步進電機驅動電路
在雙極步進電機中，每個線圈只有兩條引線，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導通，則電流從A +流向A-；如果MOSFET 2和3導通，則電流從A-流向A +，產生相反方向的磁場。這種方案需要更復雜的驅動電路，但可以最大限度利用電機銅量而實現最大扭矩。
圖10: 雙極步進電機驅動電路
隨著技術的不斷進步，單極電機的優勢逐步弱化，雙極步進電機成為目前最流行的電機類型。
步進電機驅動技術
步進電機主要有四種不同的驅動技術：
?? 波動模式：一次僅一個相位通電（見圖11）。為簡單起見，如果電流從某相的正引線流向負引線（例如，從A +到A-），則我們稱為正向流動；否則，稱為負向流動。從下圖左側開始，電流僅在A相中正向流動，而用磁體代表的轉子與其所產生的磁場對齊。接著，電流僅在B相中正向流動，轉子順時針旋轉90°以與B相產生的磁場對齊。隨后，A相再次通電，但電流負向流動 ，轉子再次旋轉90°。 最后，電流在B相中負向流動，而轉子再次旋轉90°。
圖11: 波動模式步進
● 全步模式：兩相始終同時通電。圖12顯示了該驅動模式的步進步驟。其步驟與波動模式類似，最大的區別在于，全步模式下，由于電機中流動的電流更多，產生的磁場也更強，因此扭矩也更大。
圖12: 全步模式步進
● 半步模式是波動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45°，而不是90°）。其唯一的缺點是電機產生的扭矩不是恒定的，當兩相都通電時扭矩較高，只有一相通電時扭矩較小。
圖13: 半步模式步進
?? 微步模式：可以看作是半步模式的增強版，因為它可以進一步減小步距，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度來實現的。與其他方案相比，微步模式需要更復雜的電機驅動器。圖14顯示了微步模式的工作原理。假設IMAX是一個相位中可以通過的最大電流，則從圖中左側開始，在第一個圖中IA = IMAX，IB = 0。下一步，控制電流以達到IA = 0.92 x IMAX，IB = 0.38 x IMAX，它產生的磁場與前一個磁場相比順時針旋轉了22.5°。控制電流達到不同的電流值并重復此步驟，將磁場旋轉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到非常高的位置分辨率，但其代價是需要更復雜的設備來控制電機，并且每次步進產生的扭矩也更小。扭矩與定子磁場和轉子磁場之間的夾角正弦成正比；因此，當步距較小時，扭矩也較小。這有可能會導致丟步，也就是說，即使定子繞組中的電流發生了變化，轉子的位置也可能不改變。
圖14: 微步模式步進
步進電機的優缺點
現在我們已了解了步進電機的工作原理，再總結一下各類電機的優缺點將非常有幫助。
優點：
● 得益于其內部結構，步進電機不需要傳感器來檢測電機位置。步進電機是通過執行“步進”來運動的，因此只需簡單地計算步數就可以獲得給定時間的電機位置。
● 此外，步進電機的控制非常簡單。它也需要驅動器，但不需要復雜的計算或調整即可正常工作。與其他電機相比，其控制工作量通常很小。而且，如果采用微步模式，還可以實現高達0.007°的位置精度。
● 步進電機在低速時可提供良好的扭矩，也可以很好的保持位置，而且使用壽命長。
缺點：
?? 當負載扭矩過高時可能會失步。由于無法獲知電機的實際位置，因此會對控制產生負面影響。采用微步模式時更易產生此問題。
?? 步進電機即使在靜止時也總是消耗最大電流，因此會降低效率并可能導致過熱。
?? 步進電機扭矩小，在高速下會產生很大的噪音。
?? 步進電機具有低功率密度和低扭矩慣性比。
總而言之，當您需要成本低廉、易于控制的解決方案，且對高速時的效率和扭矩要求不高時，步進電機是最好的選擇。
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步進電機的用途和應用
打印機：打印頭、進紙、掃描條
3D打印機：XY軸工作臺驅動器、介質驅動器
機器人：機械臂、末端執行件
單反相機：光圈/焦距調節
攝像頭：平移、傾斜、變焦、聚焦
雕刻機：XY二維工作臺運動控制
自動柜員機：紙幣移動、托盤升降機
來源：MPS，作者：Carmine Fiore
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