本文主要探討了步進電機的驅(qū)動工作原理，重點分析了全步、半步和微步三種控制模式的原理、優(yōu)劣勢及其在自動化設(shè)備中的應(yīng)用。文章基于ADI Trinamic系列產(chǎn)品，詳細(xì)介紹了步進電機的基本結(jié)構(gòu)和工作機制，并對比了三種控制模式的性能特點。文章還介紹了相關(guān)產(chǎn)品，展示了步進電機驅(qū)動技術(shù)在自動化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。
步進電機在眾多自動化設(shè)備中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，具備高可靠性，且在開環(huán)控制時能實現(xiàn)高精度定位，在低速運行時可提供高扭矩，所以被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、3D 打印、機器人技術(shù)等領(lǐng)域。
本文基于ADI Trinamic?系列產(chǎn)品，淺談步進電機的驅(qū)動技術(shù)，包括全步、半步和微步控制模式的原理、優(yōu)劣勢。
1.1?電機結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)
步進電機主要由磁性轉(zhuǎn)子和定子線圈構(gòu)成。常見的混合 2相步進電機，其轉(zhuǎn)子包含兩個磁杯，每個磁杯通常有 50 個齒，且極性相反、相互偏移；定子則有兩個繞在轉(zhuǎn)子周圍的線圈。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計使得電機能夠通過電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)精確的旋轉(zhuǎn)運動。
圖 1. 混合式步進電機結(jié)構(gòu)。(a) 8 極定子。(b) 永磁體轉(zhuǎn)子。（圖片來源于ADI）
當(dāng)按順序給定子線圈通電時，會產(chǎn)生磁場，該磁場與轉(zhuǎn)子的永磁體相互作用，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
電機通過將完整旋轉(zhuǎn)劃分為等距步來實現(xiàn)精確位置控制，例如每轉(zhuǎn) 200 個離散位置的電機，步距角為 1.8°（360° 除以全步數(shù)）。電流切換使磁場變化，從而引導(dǎo)轉(zhuǎn)子按步距角轉(zhuǎn)動，且無需位置反饋（開環(huán)控制）。這種工作機制使得步進電機在許多需要精確位置控制的應(yīng)用中具有獨特優(yōu)勢。
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為了更好地理解步進電機的步進行為，我們將評估一個簡化的具有一個磁極對的 2 相步進電機模型
- 原理：驅(qū)動器向兩個線圈通正或負(fù)電流，使兩相同時通電以實現(xiàn)最大扭矩。通過切換線圈電流方向，可使電機軸按固定步距角旋轉(zhuǎn)，這種換向模式遵循特定序列。
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線圈 1 = +I，線圈 2 = -I
如上圖，展示了兩相步進電機在全步模式下的四個不同狀態(tài)。每個狀態(tài)中，線圈的通電情況與上方電流倍數(shù)相對應(yīng)，并且可以看到轉(zhuǎn)子（圖中藍色和橙色部分）在不同通電狀態(tài)下的位置變化，直觀地展示了全步模式下電機的運行原理。
在第一步時，線圈 1 的電流倍數(shù)為 1，線圈 2 的電流倍數(shù)也為 1；在第二步時，線圈 1 的電流倍數(shù)變?yōu)?– 1，線圈 2 的電流倍數(shù)仍為 1，以此類推，呈現(xiàn)出周期性的變化。
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全步模式性能優(yōu)勢與局限：全步模式能實現(xiàn)精確步距、速度控制和高保持扭矩，在高速運行時可最大化扭矩輸出。但因其步距較大，會導(dǎo)致電機在運行中產(chǎn)生明顯位置跳躍，引發(fā)高共振，使電機超過目標(biāo)位置，從而降低實際施加扭矩，產(chǎn)生振動和噪聲。這在一些對精度和穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用中可能會帶來問題。
如上圖，全步模式呈現(xiàn)出周期性的階梯狀變化?？梢钥吹皆诿總€全步切換時，轉(zhuǎn)子位置會出現(xiàn)明顯的過沖（overshoot，即位置超過了預(yù)期的穩(wěn)定位置）和振蕩（ringing，即位置在穩(wěn)定位置附近波動）現(xiàn)象。例如，在從第一步切換到第二步時，轉(zhuǎn)子位置先快速上升超過了第二步的穩(wěn)定位置，然后在該位置附近振蕩一段時間后才逐漸穩(wěn)定。
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原理：半步模式在全步模式基礎(chǔ)上，通過在兩相通電切換過程中增加一個額外電流狀態(tài)，使每個磁極對的轉(zhuǎn)子位置數(shù)量翻倍，達到八個，從而將步長減半，實現(xiàn)位置分辨率的提升。電機驅(qū)動器通過交替進行單相和雙相勵磁來實現(xiàn)這種半步行為。
如上圖，展示了在八個半步狀態(tài)下，兩個線圈的電流倍數(shù)變化情況?？梢钥吹诫娏髯兓宇l繁，與全步模式相比，電流狀態(tài)的切換更加精細(xì)，這是為了實現(xiàn)更小的步長。
- 性能優(yōu)勢與局限：半步模式在一定程度上改善了位置過沖、振動和噪聲問題，低速時旋轉(zhuǎn)扭矩略有增加。但由于電機仍存在相對較大的位置跳躍，其旋轉(zhuǎn)并非完全平滑，尤其在低速運行時，這種不平穩(wěn)性更為顯著。這促使了對更精細(xì)控制方式 —— 微步控制的需求。
微步控制是一種先進的控制方法，它允許電機旋轉(zhuǎn)到全步之間的多個中間位置，從而顯著提高位置分辨率并實現(xiàn)更平滑的低速旋轉(zhuǎn)。通過將每個全步細(xì)分為一系列等距的微步來達成這一目標(biāo)。
如上圖，展示了微步控制過程中電機的不同狀態(tài)，包括線圈 A1、A2 和 B1、B2 的通電情況以及轉(zhuǎn)子的相應(yīng)位置變化，直觀地呈現(xiàn)了微步控制下電機的工作過程。
如上圖，綠色曲線（線圈 1）和紅色曲線（線圈 2）分別展示了在不同步模式下兩個線圈的電流變化情況?？梢悦黠@看出，全步模式下電流變化是階梯狀的，半步模式下階梯更細(xì)密，而微步模式下電流變化趨近于正弦波，更加平滑。
下方是位置過沖 / 振蕩圖，展示了在不同步模式下轉(zhuǎn)子位置的變化情況。全步模式下位置過沖和振蕩明顯，半步模式有所改善，微步模式下位置變化更加平穩(wěn)，幾乎沒有明顯的過沖和振蕩，進一步說明了微步控制在改善電機運行性能方面的優(yōu)勢。
微步控制實現(xiàn)了最佳的運行行為。在這里，相不僅被接通和斷開，還被充入不同的電流值。
兩個相由偏移 90° 的近似正弦波控制。一個全步被分成更小的單元。這些被稱為 “微步”。微步分辨率是一個全步被劃分成的中間位置的數(shù)量。
左側(cè)圖示：兩相（相A 和 相B）的電流變化曲線?？梢钥吹?相A 和 相B 的電流曲線呈近似正弦波且相互偏移 90°。圖中標(biāo)注了 16 個微步和 1個整步，說明了在一個全步內(nèi)被細(xì)分為 16 個微步，通過控制兩相電流的變化來實現(xiàn)微步控制。
中間圖示：這是一個角度示意圖，展示了? 1 個整步被劃分為 16 個微步的情況。
右側(cè)圖示：展示了微步控制在實際電機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用場景，說明通過對兩相線圈電流的精確控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子在更小步距下的精確旋轉(zhuǎn)。
微步分辨率越高，相電流的理論正弦波形就越平滑。由于在微模式下的行進距離與全步操作相比顯著減小，瞬態(tài)效應(yīng)也顯著降低。然而，在實踐中，僅指定正弦設(shè)定點不足以獲得正弦相電流。電感器的切換以及其他干擾效應(yīng)需要進一步的措施來保持非常平穩(wěn)的運行。
1.5 步進電機三種模式優(yōu)劣勢（全步，半步，微步）
| 控制模式 |
優(yōu)勢 |
劣勢 |
| 全步模式
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1. 步距和速度控制精確，適合常規(guī)場景
2. 保持扭矩高，能應(yīng)對大靜態(tài)扭矩需求
3. 高速時扭矩輸出大，利于高速運轉(zhuǎn) |
1. 步距大，位置跳躍明顯，定位精度不足
2. 易共振，導(dǎo)致超目標(biāo)位置、扭矩降低，產(chǎn)生振動和噪聲 |
| 半步模式
?
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1. 位置分辨率提升，精度比全步好
2. 緩解全步的過沖、振動和噪聲問題
3. 低速時扭矩略有增加，適合低速帶載 |
旋轉(zhuǎn)不夠平滑，尤其低速時不平穩(wěn)性突出，無法滿足高精度平滑需求 |
| 微步模式
?
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1. 位置分辨率極高，可實現(xiàn)精細(xì)位置控制
2. 運行平滑，大幅降低振動和噪聲，穩(wěn)定可靠
3. 應(yīng)用廣泛，適用于多種高精度、低噪領(lǐng)域 |
1. 實際精度受電機構(gòu)造、負(fù)載、電流精度等影響
2. 停在微步位置時，增量扭矩會降低 |
最后
步進電機驅(qū)動技術(shù)在自動化領(lǐng)域中占據(jù)著舉足輕重的地位，其從基礎(chǔ)的全步、半步模式發(fā)展到先進的微步控制技術(shù)，不斷滿足著各行業(yè)對高精度、低噪聲、高效率的需求，無論是在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療設(shè)備，還是在新興的物聯(lián)網(wǎng)、機器人等領(lǐng)域，都展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
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