步進(jìn)電機(jī)原理與驅(qū)動(dòng)方式深度解析

步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種特殊電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)在使用時(shí)不需要額外的反饋，這是因?yàn)槌鞘Р?，否則步進(jìn)電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角度已知的，由于它的角度位置已知就能精確控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的位置。一般我們會(huì)用 Arduino 驅(qū)動(dòng)的小型步進(jìn)電機(jī)有以下兩種。

步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部實(shí)際上產(chǎn)生了一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，如圖所示，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)依次切換時(shí)，轉(zhuǎn)子（rotor）就會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度。當(dāng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)過(guò)快或者轉(zhuǎn)子上所帶負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太大時(shí)，轉(zhuǎn)子無(wú)法跟上步伐，就會(huì)造成失步。

從步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性圖上可知，步進(jìn)電機(jī)以越快的速度運(yùn)行，所能輸出的轉(zhuǎn)矩越小，否則將會(huì)造成失步。每種不同規(guī)格的步進(jìn)電機(jī)都有類(lèi)似的矩頻特性曲線，詳細(xì)圖表需要查閱其規(guī)格書(shū)。

矩頻特性

步進(jìn)電機(jī)的磁極數(shù)量規(guī)格和接線規(guī)格很多，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們這里就先只以四相步進(jìn)電機(jī)為例進(jìn)行討論。所謂四相，就是說(shuō)電機(jī)內(nèi)部有 4 對(duì)磁極，此外還有一個(gè)公共端（COM）接電源， ABCD 是四線的接頭。而四相電機(jī)的可以向外引出六條接線（兩條 COM 共同接入 Vcc），即 GND 和 ABCD，也可以引出五條線，如圖所示，所以有成為六線四相制和五線四相制。

一相勵(lì)磁方式

下表中 1 表示高電平、0 表示低電平，我們以下述最簡(jiǎn)單的一相勵(lì)磁方式來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

這種方式，電機(jī)在每個(gè)瞬間只有一個(gè)線圈導(dǎo)通，消耗電力小但在切換瞬間沒(méi)有任何的電磁作用轉(zhuǎn)子上，容易造成振動(dòng)，也容易因?yàn)閼T性而失步。

二相勵(lì)磁方式

這種方式輸出的轉(zhuǎn)矩較大且振動(dòng)較少，切換過(guò)程中至少有一個(gè)線圈通電作用于轉(zhuǎn)子，使得輸出的轉(zhuǎn)矩較大，振動(dòng)較小，也比一相勵(lì)磁較為平穩(wěn)，不易失步。

步進(jìn)角是步進(jìn)電機(jī)每前進(jìn)一個(gè)步序所轉(zhuǎn)過(guò)的角度。在不超載也不失步的情況下，給電機(jī)加上一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，使得步進(jìn)電機(jī)速度和位置的控制變得十分簡(jiǎn)單。

一二相勵(lì)磁方式

綜合上述兩種驅(qū)動(dòng)信號(hào)，下面提出一相勵(lì)磁和二相勵(lì)磁交替進(jìn)行的方式，沒(méi)傳送一個(gè)勵(lì)磁信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)半個(gè)步距角。其特點(diǎn)是分辨率高，運(yùn)轉(zhuǎn)更加平滑。

下面是這三種驅(qū)動(dòng)方式的時(shí)序波形圖

驅(qū)動(dòng)問(wèn)題

因?yàn)閿?shù)字 I/O 口電流較小。因此，我們想到了使用晶體管進(jìn)行放大。常用的方法有三種：

1. 直接利用晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)，這需要你對(duì)電機(jī)和晶體管的詳細(xì)參數(shù)有一定了解，才能選擇恰當(dāng)?shù)膮?shù)去匹配他們。此外，還必須使用二極管來(lái)處理當(dāng)電機(jī)內(nèi)部線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)逆向流入晶體管而對(duì)晶體管造成損害。

2. 使用諸如 ULN2003 和 ULN2803 這樣的激勵(lì)器，它實(shí)際是內(nèi)部集成好了放大功能的集成電路芯片，此外也無(wú)需額外添加二極管，因?yàn)樗呀?jīng)內(nèi)置了。

3. 使用光耦，在驅(qū)動(dòng)芯片或者晶體管的前端再加入光耦合器，以加強(qiáng)隔離步進(jìn)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，以免損害單片機(jī)。

4. 使用 L293D 這樣的 H 橋的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，詳細(xì)請(qǐng)參考上兩節(jié)介紹的 L293 Motor Sheild 官網(wǎng)的說(shuō)明。

我們以 ULN2003 為例，現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)板可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，我們只需要選擇單片機(jī)的四個(gè)輸出端口用杜邦線分別連接驅(qū)動(dòng)板的 IN1、IN2、IN3、IN4，再用外置電源連接驅(qū)動(dòng)板的 5-12V+接口，并把電源和單片機(jī)的地（GND）與驅(qū)動(dòng)板的（–）共線即可。

ULN2003 采用的是達(dá)林頓管（Darlington transistor）方式來(lái)增強(qiáng)對(duì)大電流負(fù)載（如步進(jìn)電機(jī)）的驅(qū)動(dòng)，所謂達(dá)林頓管其實(shí)就是二級(jí)放大的三極管而已（如右圖所示），經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)娜龢O管型號(hào)選擇匹配后，兩次放大的三極管驅(qū)動(dòng)能力比一個(gè)三極管更強(qiáng)。詳情請(qǐng)參考 ULN2003 的 DataSheet。但無(wú)論哪種方式，記住，使用額外的外接電源來(lái)驅(qū)動(dòng)晶體管和集成芯片，它才是電機(jī)的真正的能量提供者。

關(guān)于實(shí)際的步距角

前面所講述的其實(shí)是一個(gè)簡(jiǎn)化模型，真正的步進(jìn)電機(jī)步距角比較小。因?yàn)椴捎昧藞D所示的多齒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)類(lèi)似于游標(biāo)卡尺的工作原理，所以實(shí)際 4 相步進(jìn)電機(jī)的步距角并非 360°/8 = 45°。根據(jù)其規(guī)格書(shū)，本節(jié)范例所用的步進(jìn)電機(jī)的步距角是 5.625°，如果采用一–二相勵(lì)磁方式，則可以達(dá)到其一半的分辨率。