步进电机控制方法有哪些种类（步进电机控制方法有哪些类型）

步进电机也称为步进器，利用电磁原理将电能转换为机械能。早在20世纪20年代人们就开始使用这种类型的电机。随着打印机、磁盘驱动器、玩具、擦拭器、振动寻呼机、机械臂和录像机等嵌入式系统的日益普及，步进电机的使用也呈爆炸式增长。

无论是在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐行业，只要需要将物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机就一定会派上用场。步进电机有多种形状和尺寸，但无论形状和尺寸如何，它们都分为两类：可变磁阻步进电机和永磁步进电机。本文重点介绍更简单、更常用的永磁步进电机。

步进电机的结构

如图1所示，步进电机由一组缠绕在定子齿槽上的线圈驱动，定子齿槽是电机的固定部件。通常，缠绕在线圈中的一段电线称为螺线管，而在电机中，缠绕在齿上的电线称为绕组、线圈或相。如果线圈中的电流如图1所示，我们从电机顶部向下看向槽的顶部，那么电流绕着两个槽逆时针流动。根据安培定律和右手判据，这样的电流会产生北极向上的磁场。

图1 双槽单绕组定子

现在假设我们构造一个电机，其两个绕组缠绕在定子上，并且内置永磁体，可以绕中心任意旋转。这个可旋转的部分称为转子。图2 显示了一种称为两相双极电机的简单电机，因为它的定子上有两个绕组，并且转子有两个磁极。

图2 两相双极电机

如果我们按图2a所示的方向向绕组1通入电流，而绕组2中没有电流流过，那么电机转子的南极自然会指向定子磁场的北极，如图所示。

假设我们切断绕组1 中的电流，并按图2b 所示的方向向绕组2 输送电流。那么定子的磁场就会指向左边，转子也会相应地旋转，与定子磁场的方向一致。

然后，我们切断绕组2 的电流，并按图2c 的方向向绕组1 输送电流。注：此时，绕组1中的电流流动方向与图2a所示方向相反。定子磁场的北极将指向下方，导致转子旋转，其南极也指向下方。

然后我们切断绕组1中的电流，并按图2d所示方向向绕组2通入电流，这样定子磁场将再次指向右侧，导致转子旋转，其南极也指向右侧。

最后，我们再次切断绕组2中的电流，并向绕组1通电，如图2a所示，使转子恢复到原来的位置。

至此，我们完成了对电机绕组的一个周期的电励磁，电机转子也旋转了一整圈。也就是说，电机的电频率等于其旋转的机械频率。

如果我们在1秒内依次完成图2所示的四个步骤，则电机的电频率为1Hz。转子旋转一周，因此其机械频率也是1Hz。综上所述，两相步进电机的电气频率和机械频率之间的关系可以表示为：

fe=fm*P/2 (1)

其中，fe代表电机的电气频率，fm代表其机械频率，P代表电机转子的等距磁极数。

从图2中我们还可以看到，每一步操作都会使转子旋转90。也就是说，两相步进电机每一步引起的转动程度可以用下面的公式表示：

1 步=180/P (2)

从式（2）中我们可以看出，双极电机每次运动可以旋转180/2=90，这与我们在图2 中看到的一致。此外，该等式表明电机的极数越高，步数精度更高。常见的是12至200极的两相步进电机，这些电机的步进精度在15至0.9之间。

图3 中给出的示例是一个两相六极步进电机，包含3 个永磁体，因此有6 个磁极。

图3 两相六级电机

第一步，如图3a 所示，我们向绕组1 施加电压，在定子中产生磁场，北极指向其顶部。因此，转子的南极（图3a中的红色“S”端）转向图中的方向。多于。

接下来，在图3b 中，我们向绕组2 施加电压，在定子中产生一个磁场，其北极指向左侧。结果，转子最近的南极向图中左侧转动，即转子顺时针旋转30。

第三步，在图3c中，我们向绕组1施加电压，在定子中产生北极向下的磁场，从而使转子顺时针旋转30到图3c所示的位置。

在图3d中，我们向绕组2施加电压，在定子中产生磁场，北极指向定子右侧，然后再次将转子顺时针旋转30到图3d所示的位置。

最后，我们向绕组1 施加电压，产生一个北极指向定子上方的磁场，如图3a 所示，使转子顺时针旋转30，结束一个电周期。可以看出，4步电激励导致机械旋转120。即电机的电频率是机械频率的3倍，与式(1)一致。另外，从图3和式（2）中我们还可以看出，该电机的转子每一步旋转30。

如果同时向两个绕组通入电流，也可以增加电机的扭矩，如图4所示。此时，电机定子的磁场是电机定子产生的磁场的矢量和。两个绕组。虽然这个磁场每次仍然只让电机旋转90，就像图2和图3一样，因为我们同时激励两个绕组，有两个电机绕组，所以此时的磁场比一个时更强绕组单独励磁。由于该磁场是两个垂直磁场的矢量和，因此它等于每个磁场的2 1.414 倍，因此电机施加在其负载上的扭矩成比例增加。

电机励磁顺序

现在我们知道一系列激励将导致步进电机旋转，是时候设计硬件来实现所需的步骤序列了。使电机能够移动的硬件（或硬件和软件的组合）称为电机驱动器。

从图4可以看出我们是如何对两相电机的绕组进行励磁，使电机转子旋转的。图中，电机中的绕组抽头分别标记为1A、1B、2A、2B。其中，1A、1B为绕组1的两个抽头，2A、2B为绕组2的两个抽头。

图4 同时给电机的两个绕组通电

首先，向引脚1B和2B施加正电压，并将1A和2A接地。然后，向引脚1B 和2A 施加正电压，同时将1A 和2B 接地。该过程实际上取决于绕齿槽的导线缠绕方向，假设导线缠绕方向与前一节一致。按顺序进行，我们得到表1 中总结的激励序列，其中“1”代表正电压，“0”代表接地。

电机绕组中的电流有两个可能的方向。此类电机称为双极电机和双极驱动序列。双极电机通常由称为H 桥的电路驱动。图5 显示了连接H 桥两个抽头和步进电机的电路。

图5 可用于驱动电机各绕组的H桥电路

H桥通过电阻（其幅值可根据电机要求选择）连接到固定电压的直流电源。然后，电路通过4个开关（分别标记为S1、S2、S3和S4）连接到绕组的两端。根水龙头。这个电路的分布看起来有点像大写字母H，所以被称为H桥。

从表1可以看出，要励磁该电机，第一步应该将抽头2A设置为逻辑0，2B设置为逻辑1。然后，我们可以闭合开关S1和S4，打开开关S2和S3。接下来，我们需要将tap 2A设置为逻辑1，并将tap 2B设置为逻辑0。因此，我们可以关闭S2和S3，打开S1和S4。同样，在第三步中我们可以关闭S2和S3并断开S1和S4，在第四步中我们可以关闭S1和S4并断开S2和S3。

表1 两相电机运行时绕组抽头极性

绕组1的励磁方法无非如此。使用一对H桥可以生成所需的激励信号序列。表2 显示了激励过程中每一步的开关位置。

表2 两相电机运行时开关位置

注意，如果R=0并且开关S1和S3意外同时闭合，则流过开关的电流将达到无穷大。此时不仅会烧坏开关，而且还可能损坏电源，因此电路中采用非零阻值电阻。尽管该电阻器会产生一些功耗并降低电机驱动器的效率，但它提供了短路保护。

单极电机及其驱动器

我们之前讨论过双极步进电机和驱动器。单极电机与双极电机类似。不同之处在于，在单极电机中，只有每个绕组的中心抽头可与外部接触，如图6所示。我们将绕组顶部的抽头标记为抽头B，将底部的抽头标记为抽头A，中间的一个作为点击C。

图6 单极电机结构

有时我们会遇到水龙头没有标记的电机。如果我们了解步进电机的结构，通过测量抽头之间的电阻就很容易识别哪些抽头属于哪些绕组。不同绕组抽头之间的阻抗通常是无穷大。如果测得抽头A 和C 之间的阻抗为100 欧姆，则抽头B 和C 之间的阻抗也应为100 欧姆，抽头A 和B 之间的阻抗应为200 欧姆。 200欧姆的阻抗值称为绕组阻抗。

图7 显示了单极电机的单相驱动电路。可以看出，当S1闭合、S2断开时，电流将从右向左流过电机绕组；当S1打开、S2关闭时，电流方向将由左向右改变。因此，我们只需两个开关即可改变电流方向（相比之下，双极电机需要4 个开关）。表3给出了单极电机驱动电路中每一步励磁期间开关的位置。

图7 单极电机控制电路

虽然单极电机的驱动器控制相对简单，但由于电机中使用中心抽头，它比双极电机更复杂，并且通常比双极电机更昂贵。此外，单极电机只能产生一半的磁场，因为电流仅流过一半的电机绕组。

了解了单极电机和双极电机的构造原理后，当我们遇到没有标记抽头、没有数据表的电机时，我们可以自己推断出抽头和绕组的关系。有4 个抽头的电机是两相双极电机。我们可以通过测量导线之间的阻抗来判断哪两个抽头属于同一绕组。 6抽头的电机可能是两相单极电机或三相双极电机，可以通过测量导线之间的阻抗来确定。

电机控制

本文前面讨论的电机控制理论可以使用完整的硬件解决方案来实现，也可以使用微控制器或DSP 来实现。图8 说明了如何使用晶体管作为开关来控制两相单极电机。每个晶体管的基极通过电阻器连接到微控制器的数字输出，电阻器的范围可以是1到10M欧姆，用于限制流入晶体管基极的电流。每个晶体管的发射极接地，集电极连接到电机绕组的4 个抽头。电机的中心抽头全部连接到电源电压的正极。

图8

每个晶体管的集电极通过二极管连接到电压源，以保护晶体管在旋转时不被电机绕组中感应的电流烧毁。当转子旋转时，电机绕组上会出现感应电压。如果晶体管集电极没有通过二极管连接到电压源，则由感应电压引起的电流将流入晶体管集电极。

例如，假设数字输出do1为高电平，do2为低电平，则do1将导通晶体管T1，电流将从+V流经T1的中心抽头和基极，然后从T1的发射极流出。但此时do2处于截止状态，因此电流无法流过T2。通过这样的推理，我们可以清楚地了解驱动电机所需的硬件和数字输出的顺序。然后，您可以为最方便的微控制器或DSP 编写软件来实现这些序列。

固件控制

作者使用1N4003二极管和2SD1276A达林顿晶体管在MicrochipPIC16F877上实现了上述电机控制器。 PIC 的PortA 的位0 至3 用于数字输出。电机采用5V两相单极电机（Airpax[Thomson]生产，型号M82101-P1），PIC和电机采用同一个5V电源供电。但在实际应用中，为了避免给单片机的电源信号引入噪声，建议您使用不同的电源分别为电机和单片机供电。

图9所示为电机每50毫秒转动一次的控制程序的汇编源代码。首先，程序将微控制器的数字输出初始化为表4中第一步中的值，然后每50毫秒以正确的顺序循环输出数字信号（这个时间常数由程序中的常量waitTime定义） ）。

图9

使用的电机为24极电机，即每一步输出可以控制电机旋转180/24=7.5。电机每50 毫秒旋转7.5，即每2.4 秒旋转一圈。如果将恒定等待时间减少一半，电机速度将增加一倍。但由于转子受到惯性、摩擦等机械限制，电机转速有上限。当定子磁场旋转太快时，转子速度跟不上，导致电机旋转跟不上，开始跳步。如果此时降低欧姆aitTime，电机可能会停止旋转。

结论

除了本文重点介绍的两相电机外，还有其他类型的步进电机，例如三相步进电机或四相步进电机。还有一些两相步进电机，只有一个中心抽头，同时连接到两个绕组的中心点。这种类型的步进电机有5 个外部抽头。

同样，步进电机并不是电机家族的唯一成员。最古老、最简单的电机是直流（DC）电机。早期的直流电机使用电刷，现已不再流行。如今常见的无刷直流电机是采用电子电路代替电刷进行换向的直流电机。该类电机不存在电刷老化问题，因此其寿命比有刷直流电机长很多。

还有一种感应电机，其工作原理与步进电机或直流电机完全不同。直流电机使用直流电压源，而感应电机使用交流（AC）电压源，步进电机和直流电机中转子和定子磁场的旋转是同步的，而感应电机中转子的旋转速度滞后于定子磁场。的转速。

责任编辑：彭静