文章概述  

本文主要探討了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)工作原理，重點(diǎn)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(dòng)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(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制，并對(duì)比了三種控制模式的性能特點(diǎn)。文章還介紹了相關(guān)產(chǎn)品，展示了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。

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步進(jìn)電機(jī)在眾多自動(dòng)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(shí)能實(shí)現(xiàn)高精度定位，在低速運(yùn)行時(shí)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(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域。本文基于ADI Trinamic 系列產(chǎn)品，淺談步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，包括全步、半步和微步控制模式的原理、優(yōu)劣勢。1. 步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子包含兩個(gè)磁杯，每個(gè)磁杯通常有 50 個(gè)齒，且極性相反、相互偏移；定子則有兩個(gè)繞在轉(zhuǎn)子周圍的線圈。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得電機(jī)能夠通過電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)精確的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

 

圖 1. 混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)。(a) 8 極定子。(b) 永磁體轉(zhuǎn)子。（圖片來源于ADI）1.2 工作機(jī)制當(dāng)按順序給定子線圈通電時(shí)，會(huì)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)。

 

圖 2. 混合式步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。（圖片來源于ADI）電機(jī)通過將完整旋轉(zhuǎn)劃分為等距步來實(shí)現(xiàn)精確位置控制，例如每轉(zhuǎn) 200 個(gè)離散位置的電機(jī)，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(dòng)，且無需位置反饋（開環(huán)控制）。這種工作機(jī)制使得步進(jìn)電機(jī)在許多需要精確位置控制的應(yīng)用中具有獨(dú)特優(yōu)勢。

 

1.3 全步模式與半步模式為了更好地理解步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)行為，我們將評(píng)估一個(gè)簡化的具有一個(gè)磁極對(duì)的 2 相步進(jìn)電機(jī)模型

 

圖 3. 簡化的帶永磁體轉(zhuǎn)子的 2 相步進(jìn)電機(jī)。（圖片來源于ADI）

• 全步模式

• 原理：驅(qū)動(dòng)器向兩個(gè)線圈通正或負(fù)電流，使兩相同時(shí)通電以實(shí)現(xiàn)最大扭矩。通過切換線圈電流方向，可使電機(jī)軸按固定步距角旋轉(zhuǎn)，這種換向模式遵循特定序列。

• 線圈 1 = +I，線圈 2 = +I
• 線圈 1 = -I，線圈 2 = +I
• 線圈 1 = -I，線圈 2 = -I
• 線圈 1 = +I，線圈 2 = -I

 

圖 4.  2 相步進(jìn)電機(jī)的全步模式 （圖片來源于ADI）如上圖，展示了兩相步進(jìn)電機(jī)在全步模式下的四個(gè)不同狀態(tài)。每個(gè)狀態(tài)中，線圈的通電情況與上方電流倍數(shù)相對(duì)應(yīng)，并且可以看到轉(zhuǎn)子（圖中藍(lán)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(jī)的運(yùn)行原理。在第一步時(shí)，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(shí)，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。

• 全步模式性能優(yōu)勢與局限：全步模式能實(shí)現(xiàn)精確步距、速度控制和高保持扭矩，在高速運(yùn)行時(shí)可最大化扭矩輸出。但因其步距較大，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生明顯位置跳躍，引發(fā)高共振，使電機(jī)超過目標(biāo)位置，從而降低實(shí)際施加扭矩，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。這在一些對(duì)精度和穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用中可能會(huì)帶來問題。

 

圖 5. 全步運(yùn)行時(shí)的過沖和振蕩。（圖片來源于ADI）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�(gè)全步切換時(shí)，轉(zhuǎn)子位置會(huì)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(dòng)）現(xiàn)象。例如，在從第一步切換到第二步時(shí)，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(shí)間后才逐漸穩(wěn)定。

•  半步模式

• 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(gè)額外電流狀態(tài)，使每個(gè)磁極對(duì)的轉(zhuǎn)子位置數(shù)量翻倍，達(dá)到八個(gè)，從而將步長減半，實(shí)現(xiàn)位置分辨率的提升。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過交替進(jìn)行單相和雙相勵(lì)磁來實(shí)現(xiàn)這種半步行為。
  

   

圖 6.  2 相步進(jìn)電機(jī)的半步模式。（圖片來源于ADI）如上圖，展示了在八個(gè)半步狀態(tài)下，兩個(gè)線圈的電流倍數(shù)變化情況。可以看到電流變化更加頻繁，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(shí)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(dòng)和噪聲問題，低速時(shí)旋轉(zhuǎn)扭矩略有增加。但由于電機(jī)仍存在相對(duì)較大的位置跳躍，其旋轉(zhuǎn)并非完全平滑，尤其在低速運(yùn)行時(shí)，這種不平穩(wěn)性更為顯著。這促使了對(duì)更精細(xì)控制方式 —— 微步控制的需求。

1.4 微步控制技術(shù)（一）原理與實(shí)現(xiàn)1). 微步控制的概念微步控制是一種先進(jìn)的控制方法，它允許電機(jī)旋轉(zhuǎn)到全步之間的多個(gè)中間位置，從而顯著提高位置分辨率并實(shí)現(xiàn)更平滑的低速旋轉(zhuǎn)。通過將每個(gè)全步細(xì)分為一系列等距的微步來達(dá)成這一目標(biāo)。

 

圖 7. 微步控制時(shí)通過每個(gè)線圈的電流。（圖片來源于ADI）如上圖，展示了微步控制過程中電機(jī)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(jī)的工作過程。圖 8. 不同步模式下電流波形和位置過沖 / 振蕩的比較。（圖片來源于ADI）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(gè)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(jìn)一步說明了微步控制在改善電機(jī)運(yùn)行性能方面的優(yōu)勢。2). 工作方式與技術(shù)實(shí)現(xiàn)微步控制實(shí)現(xiàn)了最佳的運(yùn)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(gè)相由偏移 90° 的近似正弦波控制。一個(gè)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(gè)全步被劃分成的中間位置的數(shù)量。

 

 

圖9. 1/16 微步的運(yùn)行情況 （圖片來源于ADI）如上圖，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(gè)微步和 1個(gè)整步，說明了在一個(gè)全步內(nèi)被細(xì)分為 16 個(gè)微步，通過控制兩相電流的變化來實(shí)現(xiàn)微步控制。中間圖示：這是一個(gè)角度示意圖，展示了  1 個(gè)整步被劃分為 16 個(gè)微步的情況。右側(cè)圖示：展示了微步控制在實(shí)際電機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用場景，說明通過對(duì)兩相線圈電流的精確控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在更小步距下的精確旋轉(zhuǎn)。3). 性能優(yōu)勢與局限微步分辨率越高，相電流的理論正弦波形就越平滑。由于在微模式下的行進(jìn)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(shí)踐中，僅指定正弦設(shè)定點(diǎn)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(jìn)一步的措施來保持非常平穩(wěn)的運(yùn)行。1.5 步進(jìn)電機(jī)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	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(duì)大靜態(tài)扭矩需求  3. 高速時(shí)扭矩輸出大，利于高速運(yùn)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(dòng)和噪聲
半步模式	1. 位置分辨率提升，精度比全步好  2. 緩解全步的過沖、振動(dòng)和噪聲問題  3. 低速時(shí)扭矩略有增加，適合低速帶載	旋轉(zhuǎn)不夠平滑，尤其低速時(shí)不平穩(wěn)性突出，無法滿足高精度平滑需求
微步模式	1. 位置分辨率極高，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)位置控制  2. 運(yùn)行平滑，大幅降低振動(dòng)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(shí)際精度受電機(jī)構(gòu)造、負(fù)載、電流精度等影響  2. 停在微步位置時(shí)，增量扭矩會(huì)降低

最后

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在自動(dòng)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(jìn)的微步控制技術(shù)，不斷滿足著各行業(yè)對(duì)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(jī)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>