步进电机在工业现场有大量的应用，如自动化控制、机器人关节、打印机控制等，其中应用最广泛的是混合式步进电机，这也是我们目前看到的大多数步进电机的形式。日常接触。从概念上讲，步进电机和可变磁阻电机之间存在一定的联系和区别。本文将简单讲一下磁阻电机/步进电机的结构和工作原理，并比较不同电机之间的差异。

1、变磁阻电机

可变磁阻电机，也称为开关磁阻电机，可能是所有电机结构中最简单的电机。它由装有励磁绕组的定子和具有凸极结构的铁磁转子组成。转子没有线圈绕组和永磁体，依靠转子在不同位置的磁阻变化来产生电磁力（d/d）。

我们知道，磁通量总是倾向于通过磁阻最小的路径。如图1.1所示，S1 S2控制电流的通断，VD1 VD2为电流续流二极管。图中所示位置，AA'和aa'的磁阻最大，CC'的磁阻最小。如果此时D相通电，转子将逆时针旋转；此时B相通电，转子顺时针旋转；如果此时A相通电，转子保持不变。需要注意的是，开关磁阻电机不能通过改变电流方向来改变电机旋转方向。而是通过改变上电顺序来实现电机的正反转。

顺时针旋转供电顺序：B-A-D-C

电源逆时针旋转：D-A-B-C

由于电机旋转过程中磁阻变化剧烈，因此磁阻电机的转矩脉动会变得非常高。为了确保电机能够平稳、高效地运行，控制磁阻电机需要了解转子和负载的位置。状态、速度状态等信息。而且磁阻电机的模型没有永磁同步电机/异步电机那么好的线性度，需要大量的预测模型和算法来提高控制精度，这无疑增加了磁阻电机的控制难度。

图1.1 变磁阻电机的基本结构

2、从变磁阻电机到步进电机

可变磁阻电机由于其特殊的控制方式（脉冲式交变导通），可以增加定子、转子的凸极数或增加定子的通电相数，运动角度可细分。此类细分结构的类型有很多种，角扭矩特性也各有不同，不再赘述。本文将探讨几种常见的可变磁阻电机机构，并从不同的维度来看看步进电机如何在不断变化的可变磁阻电机结构中脱颖而出。

2.1 城堡式变磁阻电机

前面提到，通过增加凸极的数量，可以细分移动角度。但较多的凸极会占用大量的线圈空间，降低电机的绕线效率，并且不能无限制地增加凸极数量。当驱动相数不变时，还可以通过在凸极上刻小齿来细分螺距角。如图2.1所示，为三相城堡式可变磁阻电动机。定子有6极，每极有4个齿，转子有28极。通过依次给线圈1、线圈2、线圈3通电，即可带动转子旋转，每一步的步距为2/3。 值需要根据电机设计的齿轮比来设计，这里不再讨论。

此类电机一般用于低速、大扭矩、角度分辨率精确的场合。这种结构已经可以称为“步进电机”，因为电机的控制可以与位置检测分离，并可以通过脉冲序列驱动来实现比较。平稳控制。

图2.1 三相城堡式变磁阻电机

2.2 多段式变磁阻电机

一种由单转子和多相绕组组成的可变磁阻电动机，又称“单级可变磁阻电动机”。另一种变磁阻电机将转子和定子分成许多段，可以在不增加定子相数的情况下进行细分。对定子的绕组结构也更加友好。一段可以设置为一相，这几乎被消除了。多相电机的相互缠绕端部。对于n段电机，每段的转子或定子错开其极距角的1/n，并且极距可以进一步细分n倍。

2.3 混合式步进电机

对于简单的可变磁阻电机，旋转方向取决于脉冲电流的时序和电机的磁阻结构，而不受电流方向的影响。在没有电流的情况下，由于没有磁阻扭矩，转子无法固定在特定位置，这将进一步增加控制难度。在原有开关磁阻电机的结构上增加永磁体，形成永磁或混合变磁阻电机，可以显着提高步进电机的扭矩和位置精度。这也是目前最常见的步进电机。结构。

如图2.2所示，混合式步进电机在结构上与多级可变磁阻电机非常相似。永磁体插入转子的两个部分之间。可以看出，近端为N极，远端为S极。定子可设计为单级电机结构，只需要两相驱动，大大简化了电机结构和成本。图中电机的转子极对数为3，因此一个电周期对应的机械角为360/(2*3)=60。

为了便于理解，为机械角，具体驱动顺序为：

=0~10，一相、二相同时流过等幅正电流=10~20，二相单独流过正电流=20~30，一相单独流过负电流=30~40 ，相相1和相2同时通过幅值相等=40~50的负电流，相2单独通过负电流=50~60，相1单独通过正电流循环导通.

图2.2 混合式步进电机结构

3、步进电机的控制

如图3.1所示，步进电机的驱动电路结构一般可分为双极电机和单极电机：单极电机通过绕组的交替传导来改变磁通方向，双极电机则改变磁通方向磁通量。电机通过H桥的控制改变电流的方向，从而改变磁通的方向。

单极电机只需要4个大功率MOS即可单极控制电流（从MOS管角度），但电机绕组需要多一个抽头；双极电机结构更简单，有两个绕组利用率高，但需要增加到8个功率MOS进行驱动，控制器的成本会增加。

图3.1 单极和双极步进电机驱动

除了对步进电机结构进行细分外，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步距角之间插入模拟的正弦波电流来细分步距角。这种细分方法也称为电流细分。

图3.2 步进电机驱动电流细分

3.1 电流闭环

步进电机的电流设置需要根据负载的需求来确定。负载越大，所需的驱动电流越大。然而，开环控制的步进电机无法感知负载的大小，这往往会导致开环驱动故障。效率不高。电流细分要求对电流进行精确控制，形成受控电流的闭环，即电流输出具有恒流特性。另一方面，由于步进电机磁阻变化的非线性，需要时刻监控输出。电流的大小可以防止由于磁芯饱和而导致的失控电流。下图3.3为步进电机驱动芯片TB67S109AFNG的电流控制波形示意图。 Fchop是内部开关周期，是通过内部时钟（Internal OSC）分频得到的。

具体恒流控制步骤如下：

H桥导通，电流迅速上升至NF。电流的上升斜率是VDC/Ls。当达到设定电流点NF时，H桥关断。电流通过续流二极管续流，下降斜率为-VDC/Ls（快速变化）当电流达到设定点下限值时，控制H桥短路电感线圈（通常是下桥），保持电流不变（缓慢变化）。当电流设定点发生变化时，H桥通过相同的控制策略控制电流保持恒定在最新的电流设定点，如图3.4所示，这是步进电机的测量波形。如果细分精度较低，可以看到明显的阶梯状电流波形。如果细分程度高，电流将更接近正弦电流，如图3.5所示。

图3.3 TB67S109AFNG 电流控制

图3.4 测量步进电机电流（未细分）

图3.5 测量步进电机电流（细分）

3.2 开环控制和闭环控制

开环控制，由于不反馈转子位置信息，本质上并不知道系统是否被控制跟随。如果出现一些不正常的负载突变，很容易导致步进电机丢步。在一些高精度、高性能的应用中，可以通过编码器或其他位置传感器返回位置信息，以便步进驱动系统判断是否丢失了一步。如果丢失一个步骤，丢失的脉冲将重新生成。在控制上面也比较容易实现。

图3.6 闭环步进控制系统

小结

本文简要介绍了可变磁阻电机的基本结构及其向步进电机的演变，并对几种常见的步进电机结构和控制逻辑进行了比较。介绍了步进电机的控制原理以及电流细分的控制细节，对步进电机有了比较全面的了解。

审稿人：刘庆