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(shì)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(kāi)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(shì)。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(xiàn)圈構(gòu)成。常見(jiàn)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?chē)�的線(xiàn)圈。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得電機(jī)能夠通過(guò)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(lái)源于ADI）1.2 工作機(jī)制當(dāng)按順序給定子線(xiàn)圈通電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)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(lái)源于ADI）電機(jī)通過(guò)將完整旋轉(zhuǎn)劃分為等距步來(lái)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(chǎng)變化，從而引導(dǎo)轉(zhuǎn)子按步距角轉(zhuǎn)動(dòng)，且無(wú)需位置反饋（開(kāi)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(shì)。

 

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(jiǎn)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(jiǎn)化的帶永磁體轉(zhuǎn)子的 2 相步進(jìn)電機(jī)。（圖片來(lái)源于ADI）

• 全步模式

• 原理：驅(qū)動(dòng)器向兩個(gè)線(xiàn)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(guò)切換線(xiàn)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(xiàn)圈 1 = +I，線(xiàn)圈 2 = +I
• 線(xiàn)圈 1 = -I，線(xiàn)圈 2 = +I
• 線(xiàn)圈 1 = -I，線(xiàn)圈 2 = -I
• 線(xiàn)圈 1 = +I，線(xiàn)圈 2 = -I

 

圖 4.  2 相步進(jìn)電機(jī)的全步模式 （圖片來(lái)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(xiàn)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(xiàn)圈 1 的電流倍數(shù)為 1，線(xiàn)圈 2 的電流倍數(shù)也為 1；在第二步時(shí)，線(xiàn)圈 1 的電流倍數(shù)變?yōu)?- 1，線(xiàn)圈 2 的電流倍數(shù)仍為 1，以此類(lèi)推，呈現(xiàn)出周期性的變化。

• 全步模式性能優(yōu)勢(shì)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(guò)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(lái)問(wèn)題。

 

圖 5. 全步運(yùn)行時(shí)的過(guò)沖和振蕩。（圖片來(lái)源于ADI）如上圖，全步模式呈現(xiàn)出周期性的階梯狀變化。可以看到在每個(gè)全步切換時(shí)，轉(zhuǎn)子位置會(huì)出現(xiàn)明顯的過(guò)沖（overshoot，即位置超過(guò)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(guò)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(guò)在兩相通電切換過(guò)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(zhǎng)減半，實(shí)現(xiàn)位置分辨率的提升。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)交替進(jìn)行單相和雙相勵(lì)磁來(lái)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(lái)源于ADI）如上圖，展示了在八個(gè)半步狀態(tài)下，兩個(gè)線(xiàn)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(zhǎng)。

• 性能優(yōu)勢(shì)與局限：半步模式在一定程度上改善了位置過(guò)沖、振動(dòng)和噪聲問(wèn)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(guò)將每個(gè)全步細(xì)分為一系列等距的微步來(lái)達(dá)成這一目標(biāo)。

 

圖 7. 微步控制時(shí)通過(guò)每個(gè)線(xiàn)圈的電流。（圖片來(lái)源于ADI）如上圖，展示了微步控制過(guò)程中電機(jī)的不同狀態(tài)，包括線(xiàn)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(guò)程。圖 8. 不同步模式下電流波形和位置過(guò)沖 / 振蕩的比較。（圖片來(lái)源于ADI）如上圖，綠色曲線(xiàn)（線(xiàn)圈 1）和紅色曲線(xiàn)（線(xiàn)圈 2）分別展示了在不同步模式下兩個(gè)線(xiàn)圈的電流變化情況。可以明顯看出，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(guò)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(guò)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(méi)有明顯的過(guò)沖和振蕩，進(jìn)一步說(shuō)明了微步控制在改善電機(jī)運(yùn)行性能方面的優(yōu)勢(shì)。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(kāi)，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(chēng)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(lái)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(xiàn)。可以看到 相A 和 相B 的電流曲線(xiàn)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(shuō)明了在一個(gè)全步內(nèi)被細(xì)分為 16 個(gè)微步，通過(guò)控制兩相電流的變化來(lái)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(chǎng)景，說(shuō)明通過(guò)對(duì)兩相線(xiàn)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(shì)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(lái)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(shì)（全步，半步，微步）

控制模式	優(yōu)勢(shì)	劣勢(shì)
全步模式	1. 步距和速度控制精確，適合常規(guī)場(chǎng)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(guò)沖、振動(dòng)和噪聲問(wèn)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(wú)法滿(mǎn)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(mǎn)足著各行業(yè)對(duì)高精度、低噪聲、高效率的需求，無(wú)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>