步進(jìn)電機(jī)控制 步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)單控制方法 步進(jìn)電機(jī)需要怎么樣去驅(qū)動(dòng)

根據(jù)資料來看步進(jìn)電機(jī)的原型早在1870年左右就出現(xiàn)了，在20世紀(jì)60年代永磁體制造技術(shù)進(jìn)步后得到快速發(fā)展，現(xiàn)在已是一種基本的電機(jī)類型。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電動(dòng)機(jī)。對(duì)于許多初學(xué)電子的年輕朋友來說，步進(jìn)電機(jī)還是十分的陌生。它無法像上期我們介紹的直流電機(jī)只要接通電源后就能正常工作，它是一種感應(yīng)電機(jī)，需要驅(qū)動(dòng)電路將直流電變成分時(shí)供電的多相時(shí)序控制電流，來按一定時(shí)序向步進(jìn)電機(jī)各個(gè)繞組供電，簡(jiǎn)單來說使用步進(jìn)電機(jī)的最小系統(tǒng)必須有脈沖信號(hào)發(fā)生器、功率驅(qū)動(dòng)電路才可以使其正常工作。因此要用好步進(jìn)電機(jī)必須有電機(jī)、電子、微機(jī)等知識(shí)。雖然步進(jìn)電機(jī)在使用上相對(duì)復(fù)雜，但在各種需要精確控制的領(lǐng)域都被廣泛使用，原因如下：在非超載的情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，在步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路的控制下，每一個(gè)脈沖信號(hào)只會(huì)讓電機(jī)按步距角轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，只需要控制控制脈沖個(gè)數(shù)就可以控制其電機(jī)軸的角位移量，同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到精確定位和調(diào)速的目的。那么步進(jìn)電機(jī)又是如何做到這些的呢？請(qǐng)向下看。

步進(jìn)電機(jī)可以分成 反應(yīng)式 （可變磁阻式VR）， 永磁式 （PM）以及 混合式 （HB）三種?，F(xiàn)在最常見的是混合式步進(jìn)電機(jī)，它是匯集了可變磁阻步進(jìn)電機(jī)和永磁體步進(jìn)電機(jī)二種步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。這三種種類的步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖分別是圖一至圖三。

圖一VR

圖二PM

圖三HB

三種種類的步進(jìn)電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)上有很大區(qū)別，但其基本的工作原理差不多。下面以步距角為90°的步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)單模型來講解工作原理。圖四就是90°步距角的步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型，中心的轉(zhuǎn)子是由永磁體組成，轉(zhuǎn)子至少由一塊永磁體組成，通常都不止一塊，而圍繞轉(zhuǎn)子的是定子，是由繞組群組成。這個(gè)結(jié)構(gòu)和普通有電刷的直流電機(jī)不一樣，直流電機(jī)轉(zhuǎn)子是繞組，定子則是永磁體，當(dāng)直流電機(jī)給繞組（轉(zhuǎn)子）通電時(shí)，通過轉(zhuǎn)向器作用，轉(zhuǎn)子會(huì)使是電機(jī)軸不停轉(zhuǎn)動(dòng)，而步進(jìn)電機(jī)給一組繞組通電時(shí)，這一繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子受磁場(chǎng)作用會(huì)轉(zhuǎn)到這個(gè)繞組的位置上，并保持在這個(gè)位置上。使用過步進(jìn)電機(jī)的朋友都什么知道，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通電后，步進(jìn)電機(jī)會(huì)鎖定，如果你這時(shí)想用手去轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸是很費(fèi)力的，尺寸大點(diǎn)的步進(jìn)電機(jī)更是沒法轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是受到上述所說的作用力，這個(gè)作用力矩稱之為保持轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的步距、保持等這些特性使得它在多個(gè)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。如圖五中的自動(dòng)注射器中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、雕刻機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、打印機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等等傳動(dòng)電機(jī)都是使用了步進(jìn)電機(jī)。

圖四 簡(jiǎn)單的步進(jìn)電機(jī)模型

步進(jìn)電機(jī)英文稱為steppingmotor，從字面也可以理解到，這種電機(jī)是以‘步’來運(yùn)轉(zhuǎn)的，而不像普通直通電機(jī)那樣連續(xù)順暢的旋轉(zhuǎn)，要使步進(jìn)電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)必須按‘步’走，一步一步前進(jìn)。那么怎么能讓步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子‘步進(jìn)’起來呢？看過上一篇直流電機(jī)文章的讀者知道洛倫茲力，就不難回答這個(gè)問題，對(duì)的，如圖四中只要把繞組2斷電而繞組1通電就可以把轉(zhuǎn)子‘步進(jìn)’到繞組1的位置上。下面我們來用圖說明圖四的90°步距角的步進(jìn)電機(jī)模型順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周的工作過程。首先給繞組1正相加電，讓轉(zhuǎn)子保持在圖六位置上，然后繞組1斷電，繞組2正相加電，這時(shí)轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)到圖七位置上，這時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了一個(gè)步距角正好轉(zhuǎn)了90°，第三步轉(zhuǎn)子要圖八的位置上，這時(shí)繞組1必須施加反相電流才能產(chǎn)生圖八中的磁場(chǎng)使轉(zhuǎn)子從第二步位置轉(zhuǎn)到第三步位置上，同樣第四步中的繞組2也必須施加反相電流。順序重復(fù)這些步驟時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子就可以連續(xù)做順時(shí)針圓周旋轉(zhuǎn)，而每一步則正好轉(zhuǎn)了90°。那么要逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)又該如何做呢？很簡(jiǎn)單只要把步驟反過來執(zhí)行可以了，如在執(zhí)行第三步后，再執(zhí)行第二步那么轉(zhuǎn)子會(huì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)90°回到圖七的位置上。由此可以看出使用步進(jìn)電機(jī)必須也要有換相器，只是它不同于普通直流電機(jī)那樣使用簡(jiǎn)單的電刷機(jī)器式換相器，而是需要能使多個(gè)繞組進(jìn)行分時(shí)供電和換相的驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)這一功能。驅(qū)動(dòng)控制電路所輸出的時(shí)序及頻率則是控制步進(jìn)電機(jī)速度和位置的關(guān)鍵。

圖六 第一步

圖七 第二步

圖八 第三步

圖九 第四步

從以上的過程描述我們可以看出步進(jìn)電機(jī)的每一步都會(huì)精確的走一個(gè)步距角，而不需要額外的一個(gè)反饋系統(tǒng)，也就是使用開環(huán)系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)精確的定位。普通直流電機(jī)不加反饋系統(tǒng)的情況下是不可能實(shí)現(xiàn)的，使用步進(jìn)電機(jī)可以在廉價(jià)的基礎(chǔ)上得到理想的精度，這也是圖五中那些精密設(shè)備要使用步進(jìn)電機(jī)的原因之一。每步90°怎么能算精確呢?當(dāng)然，那只是我們用來分析的簡(jiǎn)單模型，實(shí)際上現(xiàn)在常用的混合式步進(jìn)電機(jī)步距角都很小，而常見混合式的步進(jìn)電機(jī)又有單極性、兩相以及五相，單極性步進(jìn)電機(jī)的步距角一般為3.6°或7.2°，兩相步進(jìn)電機(jī)步距角為3.6°或1.8°，五相步進(jìn)電機(jī)則為0.72°或0.36°。有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)最小步距角可以到0.036°，但那是極為少見和昂貴的。圖十就是一個(gè)五相混合式步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片。可以清楚看到十組繞組組成的定子及由圓柱齒輪狀永磁體組成的轉(zhuǎn)子。圖十一則是這個(gè)五相步進(jìn)電機(jī)的外觀圖，而圖十二則是兩相步進(jìn)電機(jī)的外觀，同是混合式其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一樣，只是繞組的接線形式不一樣。所以在使用步進(jìn)電機(jī)之前，我們必須先了解步進(jìn)電機(jī)的繞組的線路結(jié)構(gòu)。圖十三是單極性步進(jìn)電機(jī)（又稱4相步進(jìn)電機(jī)）的線圈線路，圖上的引線是5線，還有一種是6級(jí)單極性步進(jìn)電機(jī)，不同之外是公共端分為2線引出，每2個(gè)線圈一個(gè)公共端。這樣的電機(jī)通常在打印機(jī)、儀表等處可以找到，體積都比較小。圖十四是雙極性步進(jìn)電機(jī)（又稱2相步進(jìn)電機(jī)），其體積和驅(qū)動(dòng)能力都會(huì)比單極性的要大許多。圖十五則是五相步進(jìn)電機(jī)的線路結(jié)構(gòu)圖。另外還有三相步進(jìn)電機(jī)由三組繞組組成定子，這里不做具體說明了。另一種比較不常見的步進(jìn)電機(jī)就是通用步進(jìn)電機(jī)，它的每一組繞組的引線分別引出，一般為8線，這種電機(jī)可能根據(jù)使用者的需要配置為單極性或雙極性等形式使用。

圖十三 單極性

圖十四 雙極性

圖十五 五相

知道步進(jìn)電機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)后，我們就不難知道它工作時(shí)需要怎么樣的時(shí)序?qū)@組加電進(jìn)行驅(qū)動(dòng)了，下面我們來具體看看單極性和雙極性這二種常用的步進(jìn)電機(jī)需要怎么樣去驅(qū)動(dòng)。

購(gòu)買二手單極性電機(jī)電機(jī)時(shí)，商家通常不會(huì)給你資料，甚至在電機(jī)上看不到型號(hào)，使用時(shí)先需要找出引線是屬于那個(gè)相的。以上幾個(gè)步驟可以幫你很快解決這個(gè)問題，這里是以5線單極性步進(jìn)電機(jī)為例，圖十六是試驗(yàn)時(shí)的照片。

1． 因?yàn)楣捕伺c其它各引線的電阻是一樣的，所以用萬用表把測(cè)量每一根線對(duì)其它線的電阻，如果這根對(duì)其它線的電阻都一樣，則說明是公共端了。

2． 把公共端連到一個(gè)電源的正極，測(cè)試時(shí)可以用＋5V。

3． 用一膠帶粘貼到步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上，用于看電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)。

4． 任意選出一條引線（公共線除外），把此線看做A相的引出線，把它接到電源的負(fù)極，這時(shí)電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一下或不轉(zhuǎn)動(dòng)。

5． 然后斷開接在A相的負(fù)極接線，用其接觸其它的線，如果這時(shí)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，說明所接觸的引線是B相的引出線，如果電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)則說明不是B相，這時(shí)斷開負(fù)極線，用負(fù)極線接觸一下A相，使轉(zhuǎn)子回復(fù)到原位。

6． 用第5點(diǎn)的方式找出C、D相，最后用負(fù)極線依次接觸ABCD相，轉(zhuǎn)子能順時(shí)針連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則說明相序?qū)ふ艺_。

從尋相的過程中，可以發(fā)現(xiàn)單極性步進(jìn)電機(jī)只要單一極性的電源對(duì)繞組進(jìn)行加電就可以讓電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，這也是其名稱的由來。通過同時(shí)對(duì)一組或多組繞組加電，可以得到不同的步進(jìn)方式。單極性步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)方式有如下三種，單拍，雙拍，半拍。

單拍步進(jìn)方式的驅(qū)動(dòng)時(shí)序如表一，單拍的工作原理是每次給一個(gè)繞組通電，轉(zhuǎn)子與通電繞組磁性相反的永磁體會(huì)被通電繞組吸引，依次通ABCD相，轉(zhuǎn)子就會(huì)不停的轉(zhuǎn)動(dòng)。

雙拍步進(jìn)方式的驅(qū)動(dòng)時(shí)序如表二，雙拍的工作原理，一次同時(shí)給兩個(gè)繞組通電，轉(zhuǎn)子會(huì)到達(dá)兩個(gè)繞組的中間位置時(shí)平衡，因?yàn)橥瑫r(shí)兩個(gè)繞組通電，所以用電量也需要比單拍方式多一倍，但可以多獲得40%左右的輸出力矩。

半拍步進(jìn)方式的驅(qū)動(dòng)時(shí)序如表三，半拍方式是讓單個(gè)繞組通電與雙個(gè)繞組通電交替進(jìn)行，輸出力矩比單拍大，但又比雙拍小15%－30%。這種方式可以提高一倍步進(jìn)分辨率，也就是電機(jī)轉(zhuǎn)一周需要雙倍的脈沖數(shù)，而每步步距角是單拍或雙拍時(shí)的一半。

雙極性，也就是說每個(gè)繞組都可以兩個(gè)方向通電，對(duì)于轉(zhuǎn)子而言每個(gè)繞組就可以是N極和S極。通常也稱之為兩相步進(jìn)電機(jī)，因其具有兩組分離的線圈。同一大小的雙極性和單極性步進(jìn)電機(jī)相比較，雙極性的輸出力矩要比單極性的要大，原因是工作時(shí)單極性的只有一個(gè)繞組形成磁場(chǎng)，而雙極性則是兩個(gè)繞組形成兩個(gè)磁極吸引轉(zhuǎn)子。雙極性步進(jìn)電機(jī)一般有4根引出線，可以使用萬用表方便的查出那2根引線是在一個(gè)繞組上的。常見的雙極性步進(jìn)電機(jī)一般步距為1.8°，每200步為一圈，在使用半拍方式驅(qū)動(dòng)時(shí)可以是400步轉(zhuǎn)一圈。也經(jīng)常見到有6線引出的，多一對(duì)中間抽頭，可以有2種接法如圖十七。

圖十七 6線雙極性步進(jìn)電機(jī)的2種接法

因?yàn)殡p極性的繞組是需要在兩個(gè)方向上通電的，所以在驅(qū)動(dòng)電路上需要一個(gè)H橋電路，通過控制H橋的導(dǎo)通和關(guān)閉，可以改變繞組引線上的電流方向，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制。雙極性步進(jìn)電機(jī)同樣具有單極性步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)方式。時(shí)序如下三表。

選用步進(jìn)電機(jī)時(shí)可以分以下幾步：

1.步進(jìn)電機(jī)的尺寸一般會(huì)有42、57、86、110等，是指安裝孔的間距，通常相同安裝孔間距而機(jī)身長(zhǎng)度越長(zhǎng)的電機(jī)，力矩會(huì)越大。

2.步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度，而電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8/3.6/7.2.度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度（三相電機(jī)）。

3.保持轉(zhuǎn)矩也稱靜力矩，是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，如果商家說這步進(jìn)電機(jī)是2N.m的，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)

4.電流 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可以參看電機(jī)的特性曲線，但一般要求不高的話，可以直接參考需要使用的驅(qū)動(dòng)器最大電流值，電機(jī)電流應(yīng)小于或等于驅(qū)動(dòng)器的最大電流。

如果需要自己制作單極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，小電流的可以用使用ULN2003，大電流可以用分立的晶體管來分別控制每一相的電源導(dǎo)通。雙極性步進(jìn)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)時(shí)電源需要換相，所以要有2個(gè)H橋電路去控制，小電流的雙極性電機(jī)可以使用L293、L293D、L298等常用又價(jià)廉的集成IC去制作簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)。如圖十八則是L293D用于驅(qū)動(dòng)雙極性步進(jìn)電機(jī)時(shí)的典型電路。如果是需要大點(diǎn)電路或需要更加高精度和高性能的驅(qū)動(dòng)，其電路復(fù)雜不適合自制，最好建議購(gòu)買現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)器。市場(chǎng)上國(guó)產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器比較多見的是東茂、白山、雷賽等，步進(jìn)電機(jī)品牌國(guó)內(nèi)外常見的有三洋、東方、雷賽、研控、白山等。圖十九是國(guó)內(nèi)一款雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的外觀圖。

圖十八 L293D驅(qū)動(dòng)電路

在步進(jìn)驅(qū)動(dòng)IC或步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器中常會(huì)用到一個(gè)技術(shù)名詞-“細(xì)分”，這個(gè)技術(shù)原理和上面說的半拍模式相擬，是一種電子阻尼技術(shù)，通常是使用專用IC或MCU控制電動(dòng)機(jī)各相繞組中電流的大小和比例,使步距角減小到原來的幾分之一至幾十分之一甚至更高，同時(shí)極大改善步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，是高級(jí)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器中不可少的技術(shù)。比如說一只1.8度步距角的二相步進(jìn)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)一周所需要的脈沖當(dāng)量是200，但如果使用了10細(xì)分的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，則需要2000個(gè)脈沖才可以完成，也就是每個(gè)脈沖使電機(jī)軸轉(zhuǎn)了0.18度，這樣就得以把步進(jìn)分辨率提高了10倍。由于步進(jìn)電機(jī)工作原理的原因，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，特別是使用單、雙拍這樣的整步步進(jìn)方式極容易產(chǎn)生振動(dòng)，這樣就需要使用驅(qū)動(dòng)器細(xì)分技術(shù)減少或克服這個(gè)對(duì)電機(jī)工作不利的振動(dòng)產(chǎn)生。步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩是隨轉(zhuǎn)速升高而下降，一般的混合式步進(jìn)電機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速在300～600RPM。步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，沒有反饋信號(hào)可以處理，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大時(shí)很容易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)，還有就是停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高時(shí)易出現(xiàn)過沖。所以在實(shí)際使用中，在要求高的條件下，需要控制軟件或控制器使用運(yùn)動(dòng)曲線去控制步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)、停止三個(gè)階段的轉(zhuǎn)速，去克服這些問題。在愛好者們的一般應(yīng)用中可以不去考慮太多這些，如在機(jī)器小車的制作，使用步進(jìn)電機(jī)來帶動(dòng)車輪，精度要求不高，只要能驅(qū)動(dòng)起來就可以了，但在不使用閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)會(huì)比使用直流電機(jī)更容易得到更好的位移精度。

通常成品的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)有如下的信號(hào)引腳（可能編號(hào)會(huì)因廠商不同而與不同），有些只可以接收單脈沖信號(hào)，有些是可以接收單脈沖信號(hào)和雙脈沖信號(hào)
PUL 步進(jìn)脈沖信號(hào)

DIR 方向脈沖信號(hào)(雙向脈沖時(shí)為反轉(zhuǎn)脈沖)

FREE 脫機(jī)信號(hào)，也就是關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器輸出，電機(jī)靜力矩消失

圖二十是單脈沖信號(hào)的示意圖，PUL的每個(gè)脈沖控制電機(jī)步數(shù)，而DIR則指示正反轉(zhuǎn)。

圖二十

圖二十一是雙脈沖信號(hào)的示意圖，每個(gè)信號(hào)引腳指示一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)方向，脈沖數(shù)則同樣用于控制步數(shù)。

圖二十一