一文解析步進(jìn)電機(jī)三種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點(diǎn)

　　眾所周知，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式有整步，半步，細(xì)分驅(qū)動。三者既有區(qū)別又有聯(lián)系，目前，市面上很多驅(qū)動器支持細(xì)分驅(qū)動方式。

　　大家都知道步進(jìn)電動機(jī)是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的控制電機(jī)，常作為數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（這個角度叫做歩距角）。

　　正常運(yùn)動情況下，它每轉(zhuǎn)一周具有固定的步數(shù)；做連續(xù)步進(jìn)運(yùn)動時，其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。本文小編將帶領(lǐng)大家詳細(xì)的了解步進(jìn)電機(jī)整步驅(qū)動、半步驅(qū)動、細(xì)分驅(qū)動的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)。

　　步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式

　　如下圖是兩相步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部定子示意圖，為了使電機(jī)的轉(zhuǎn)子能夠連續(xù)、平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動，定子必須產(chǎn)生一個連續(xù)、平均的磁場。因?yàn)閺暮暧^上看，電機(jī)轉(zhuǎn)子始終跟隨電機(jī)定子合成的磁場方向。如果定子合成的磁場變化太快，轉(zhuǎn)子跟隨不上，這時步進(jìn)電機(jī)就出現(xiàn)失步現(xiàn)象。

　　既然電機(jī)轉(zhuǎn)子是跟隨電機(jī)定子磁場轉(zhuǎn)動，而電機(jī)定子磁場的強(qiáng)度和方向是由定子合成電流決定且成正比。即只要控制電機(jī)的定子電流，則可以達(dá)到驅(qū)動電機(jī)的目的。下圖是兩相步進(jìn)電機(jī)的電流合成示意圖。其中Ia是由A-A`相產(chǎn)生，Ib是由B-B`相產(chǎn)生，它們兩個合成后產(chǎn)生的電流I就是電機(jī)定子的合成電流，它可以代表電機(jī)定子產(chǎn)生磁場的大小和方向。

　　基于以上步進(jìn)電機(jī)的背景描述，對于步進(jìn)電機(jī)的整步、半步、細(xì)分的三種驅(qū)動方式，都會是同一種方法，只是電流把一個圓（360°）分割的粗細(xì)程度不同。

　　1、整步驅(qū)動

　　對于整步驅(qū)動方式，電機(jī)是走一個整步，如對于一個步進(jìn)角是3.6°的步進(jìn)電機(jī)，整步驅(qū)動是每走一步是走3.6°。

　　下圖是整步驅(qū)動方式中，電機(jī)定子的電流次序示意圖：

　　由上圖可知，整步驅(qū)動每一時刻只有一個相通電，所以這種驅(qū)動方式的驅(qū)動電路可以是很簡單，程序代碼也是相對容易實(shí)現(xiàn)，且由上圖可以得到電機(jī)整步驅(qū)動相序如下：

　　BB’→A’A→B’B→AA’→BB’

　　下圖是這種驅(qū)動方式的電流矢量分割圖：

　　可見，整步驅(qū)動方式的電流矢量把一個圓平均分割成四份。

　　下圖是整步驅(qū)動方式的A、B相的電流I vs T圖：

　　總結(jié)：

　　可以看出，整步驅(qū)動的缺點(diǎn)：描出的正弦波是粗糙的。使用這種方式驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，低速時電機(jī)會抖動，噪聲會比較大。但是，這種驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn)：無論在硬件或軟件上都是相對簡單，從而驅(qū)動器制造成本容易得到控制。

　　2、半步驅(qū)動

　　對于半步驅(qū)動方式，電機(jī)是走一個半步，如對于一個步進(jìn)角是3.6°的步進(jìn)電機(jī)，半步驅(qū)動是每走一步，是走1.8°（3.6°/2）。

　　下圖是半步驅(qū)動方式中，電機(jī)定子的電流次序示意圖：

　　由上圖可見，半步驅(qū)動方式的比整步驅(qū)動方式相對復(fù)雜一些，在同一時刻，可能兩個相都需要被通電，如果要求電機(jī)轉(zhuǎn)動的力矩平穩(wěn)，則需要在兩相同時通電時，通電電流應(yīng)該為單相通電電流的sin（45°），即√2/2。當(dāng)然，可以直接通以和單相通電流相等的電流，結(jié)果是電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中的力矩不恒定，但它帶來的好處是驅(qū)動電路或軟件編寫的簡化。

　　以下是這種的驅(qū)動方式的驅(qū)動相序：

　　BB’→BB’ A’A→A’A→B’B A’A→ B’B→B’B AA’→AA’→ AA’ BB’

　　如果需要反轉(zhuǎn)，只需按以上相序的逆向進(jìn)行通電即可。

　　當(dāng)按以上相序?qū)﹄姍C(jī)通電，產(chǎn)生的電流矢量則可以把一個圓分割成8份，如下圖所示：

　　半步驅(qū)動一方面使電機(jī)的步進(jìn)分辨率提高了一倍，且電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)會更為平穩(wěn)。

　　對比地，半步驅(qū)動方式的兩相電流圖如下圖所示：

　　總結(jié)：

　　由上圖看出，半步驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn)：描出的正弦波較之整步驅(qū)動方式，有了改觀，提高了精度。這樣的好處是在無需更改電機(jī)的情況下，電機(jī)的步進(jìn)角分辨率提高了一倍，且電機(jī)運(yùn)行相對安靜一些。

　　3、細(xì)分驅(qū)動

　　如下圖，可以看出某種規(guī)律：

　　看上圖，電流矢量分割圓越來越稠密，如上圖的c。這是4細(xì)分驅(qū)動的分割圖，從宏觀上可想象，電機(jī)轉(zhuǎn)子走一步的角度將會隨著細(xì)分?jǐn)?shù)的增加而減小，電機(jī)轉(zhuǎn)動也越來越平穩(wěn)、安靜。從某種意義上，整步和半步驅(qū)動也是細(xì)分驅(qū)動的一樣，它們的關(guān)系就如正方形和長方形的關(guān)系。

　　上圖是4細(xì)分驅(qū)動方式的兩相電流圖，由圖看出，這時每相電流的曲線較半步驅(qū)動時的電流曲線更加細(xì)膩。

　　電流細(xì)分是細(xì)分驅(qū)動的其中一種方法，恒流的實(shí)現(xiàn)常用斬波驅(qū)動，給定的電流是以正弦波分布。另一種為電壓細(xì)分，這種方法是比正弦波的電壓驅(qū)動電機(jī)的線圈，可以不需要反饋地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動，但是由于電機(jī)的反電勢等的作用，正弦波電壓驅(qū)動并不能產(chǎn)生正弦波的電流，效果沒有電流細(xì)分好，但是它的驅(qū)動電路相對簡單。

　　總結(jié)：

　　細(xì)分可以提高電機(jī)的步進(jìn)角分辨率，但是，這并不是細(xì)分驅(qū)動的初衷，而是為了減緩步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程的震動和噪聲，使電機(jī)的力矩輸出更平穩(wěn)。這有點(diǎn)像數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)變焦和數(shù)字變焦的關(guān)系，提高步進(jìn)系統(tǒng)分辨率最好依靠電機(jī)本身和機(jī)械結(jié)構(gòu)。

　　在工程應(yīng)用中，電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)可能不同，在低速時，可增大細(xì)分?jǐn)?shù)，當(dāng)速度增加時，減少細(xì)分?jǐn)?shù)。