什么是步进电机？步进电机的类型和结构

一、什么是步进电机？

与所有电机一样，步进电机也有定子和转子，但与普通直流电机不同的是，定子由单独的线圈组组成。线圈的数量会根据步进电机的类型而有所不同，但现在只需了解，在步进电机中，转子由金属极组成，每个极将被定子中的一组线圈吸引。下图显示了具有 8 个定子极和 6 个转子极的步进电机。

如果你看一下定子上的线圈，它们是按线圈对排列的，比如 A 和 A' 形成一对，B 和 B' 形成一对，依此类推。因此，每个线圈对都形成一个电磁体，并且可以使用驱动电路单独为它们通电。当线圈通电时，它充当磁铁，转子磁极与其对齐，当转子旋转以调整自身以与定子对齐时，称为一步。类似地，通过按顺序给线圈通电，我们可以小步旋转电机以完成完整的旋转。

二、步进电机的类型

步进电机是一种将电能转化为机械能的机电装置。同时，步进电机是一种无刷同步电机，可以将完整的旋转分成大量的步数。当步进电机以正确的顺序施加电命令脉冲时，步进电机的轴或心轴以不连续的步长旋转，只要电机的尺寸适合应用，就可以在没有任何反馈机制的情况下精确控制电机的位置。如果没有给定电源，它可以保持当前位置，步进电机分为单极和双极。

1、单极步进电机

单极步进电机每相都有一个带有中心抽头的绕组。每个绕组部分针对每个方向的磁场而接通。通常，给定一个相，每个绕组的中心抽头都是共用的：每相三个引线，典型的两相电机有六个引线。通常，这些两相公共端是内部连接的，因此电机只有五根引线。因此，它具有 5、6 和 8 根引线，并通过每相输入的中心抽头运行一个绕组。此图显示了不同类型的单极步进电机及其引线配置，请参阅步进电机的数据表以了解更多信息。

2、双极步进电机

双极电机每相有一对单绕组连接。为了反转磁极，需要反转绕组中的电流，因此驱动电路必须更加复杂，通常采用 H 桥布置（但是有几种现成的驱动器芯片可使其成为简单的事情）。每相有两条引线，不常见。它每相一个绕组，仅用4根引线连接两组内部电磁铁线圈，通过改变流经电机线圈的电流方向即可实现正转和反转。这可能比单极更复杂，但 H 桥和步进电机驱动电路使其变得非常简单。

三、步进电机的驱动电路结构

步进电机的驱动电路结构一般可以分为双极性电机和单极性电机：单极性电机通过绕组的交替导通实现磁通方向的改变，双极性电机通过H桥的控制实现电流方向的改变，从而实现磁通方向的改变。单极性电机只需要4颗功率MOS，对电流进行单极控制（从MOS管角度），但是电机绕线上需要多一个抽头；双极性电机在结构上更简单，两个绕组利用率高，但是需要增加到8颗功率MOS进行驱动，控制器的成本会上升。

图 单极性和双极性步进电机驱动

步进电机除了在电机结构上进行细分，还可以通过控制电流的波形来控制步进电机的细分精度。细分的原理是在最小的步距角之间插入模拟出来的正弦波电流，以对步距角进行细分，该细分方式也称为电流细分。

图 步进电机驱动电流的细分

四、驱动步进电机的方法

由于结构复杂，步进电机需要特殊的电路来驱动它们。驱动步进电机的方法有很多种。在本教程中，我们将了解驱动电机的最常见方法。为了便于解释，我们将考虑四相步进电机。

单励磁模式：

这是驱动步进电机最基本的方式，虽然使用不多，但仍然值得了解以了解步进电机的驱动。在这种方法中，彼此相邻的每个相或定子将使用特殊电路交替地被一一激活。这会使定子磁化和消磁，导致转子一次移动一步。

全步驱动：

在该方法中，不是一次激活一个定子，而是在两个定子之间间隔很短的时间间隔来激活两个定子。在此模式下，任何两个定子都将处于活动状态。这意味着第一定子开启，第二定子将在短时间间隔后开启，而第一定子仍然开启。这种方法会产生高扭矩，并使电机能够驱动高负载。

五、步进电机的控制模式

步进电机的控制模式是实现其精确、高效运行的关键。下面将详细阐述步进电机的几种主要控制模式，并结合相关数字和信息进行说明。

1、开环控制

开环控制是步进电机最常见的控制方式之一。它通过控制输入信号的频率、脉冲数和电压等参数来控制步进电机的旋转角度和方向。这种控制方式适用于一些对定位精度要求不高的低端应用场景，如打印机、扫描仪、复印机等。开环控制的优点是简单易行，成本较低。然而，由于它无法检测电机的实际位置和速度，因此存在定位精度不高、抗干扰性差、电流波动大等缺点。

2、闭环控制

为了解决开环控制存在的问题，人们研究出了闭环控制方式。闭环控制是通过在步进电机旋转过程中检测位置和速度信号，并通过反馈控制来控制步进电机的旋转角度和位置。闭环控制具有定位精度高、抗干扰性强、稳定性好等优点，适用于一些高端应用场景，如机床、医疗设备、精密仪器等。在闭环控制中，常用的反馈信号包括编码器信号、霍尔传感器信号等。

3、基本控制模式

全步进模式

全步进模式是最简单的控制模式，即每发送一个脉冲，步进电机就转动一个完整的步进角度。这种模式下，步进电机的转动精度和转速都比较低，适用于一些只需要较简单控制的场景。全步进模式的步距角一般为1.8度（在不设置步进电机驱动器细分的情况下），即每输入一个脉冲，步进电机转动1.8度。

半步进模式

半步进模式在全步进模式的基础上，将每个步进角度分成两半，即每个脉冲只转动一半的步进角度。相比全步进模式，半步进模式的转动精度和转速都有显著提高。在半步进模式下，步距角为0.9度（当驱动器细分为2时），即每输入一个脉冲，步进电机转动0.9度。

微步进模式

微步进模式是在半步进模式的基础上进行改进的。它通过调整每个步进角度的大小和方向，使得步进电机的转动更加平滑和精确。微步进模式适用于一些对步进电机的转动精度和平滑性要求较高的场景。在微步进模式下，步距角可以进一步细分，如0.1度或更小，从而实现更高的转动精度。

变频控制模式

变频控制模式是通过调整步进电机驱动电机的频率和电压来达到对转动角度和速度的控制。这种控制方式可以使步进电机的转速更加稳定和精确，适用于一些对步进电机转速要求较高的应用场景。变频控制模式可以通过改变脉冲频率来实现对步进电机转速的调节。

4、驱动模式

步进电机控制器主要有三种驱动模式：细分驱动模式、整步驱动模式和半步驱动模式。细分驱动模式具有低速振动极小和定位精度高的优点；整步驱动模式每个脉冲将使电机移动一个基本步距角；而半步驱动模式则具有精度高一倍和低速运行时振动较小的优点。

综上所述，步进电机的控制模式多种多样，每种模式都有其特点和适用场景。在实际应用中，需要根据具体的应用需求来选择合适的控制模式和驱动模式。