驅(qū)動(dòng)技術(shù)加持下活力依舊的步進(jìn)電機(jī)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）和伺服電機(jī)一樣，步進(jìn)電機(jī)也是一種經(jīng)常出現(xiàn)的電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或者線位移的執(zhí)行器。通俗一點(diǎn)講，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)播一個(gè)固定的角度。

所以步進(jìn)電機(jī)可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制。同時(shí)還可以通過控制脈沖的頻率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

永磁式步進(jìn)電機(jī)與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

可以把步進(jìn)電機(jī)分為永磁式步進(jìn)電機(jī)、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)以及混合式步進(jìn)電機(jī)。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般是兩相的，其轉(zhuǎn)矩和體積都比較小。

永磁式步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角一般是7.5°或者15°。永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子自然是由永磁性材料制成，其NS級(jí)交替分布在轉(zhuǎn)子上，定子由軟磁性材料制成，上面分布有兩相勵(lì)磁繞組定子，通電后利用永磁體與定子電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)則一般為三相，噪聲和振動(dòng)更大的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，現(xiàn)在已經(jīng)不太常見，被市場(chǎng)淘汰。

基于二者的優(yōu)點(diǎn)，混合式步進(jìn)電機(jī)現(xiàn)在應(yīng)用非常多。混合式步進(jìn)電機(jī)有兩相、三相和五相之分，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角一般是1.8°，五相的混合式步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角一般為0.72°。目前市面上絕大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)使用的是兩相繞組。

混合式步進(jìn)電機(jī)的定子一般由8個(gè)磁極構(gòu)成，兩相繞組錯(cuò)開纏繞在8個(gè)磁極上，和永磁式類似，都依賴于帶有永磁體的轉(zhuǎn)子。混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)合了永磁式步進(jìn)電機(jī)和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)各自的優(yōu)點(diǎn)，有著步進(jìn)角度小、精度高的優(yōu)點(diǎn)。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)控

以典型的兩相雙極步進(jìn)電機(jī)為例，通常是用全橋結(jié)構(gòu)來作為整步驅(qū)動(dòng)。而且相較于單向驅(qū)動(dòng)，雙向驅(qū)動(dòng)效率更高，力矩更大，因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中更為常見。

為了進(jìn)一步提高步進(jìn)電機(jī)的控制精度，細(xì)分控制也被引入了進(jìn)來。整步模式下的單向驅(qū)動(dòng)和雙向驅(qū)動(dòng)交替地結(jié)合在一起，就產(chǎn)生了半步控制。這種控制下，不論是單相勵(lì)磁整步模式還是雙向勵(lì)磁整步模式，一個(gè)周期內(nèi)的電氣角數(shù)量都是4個(gè)，半步模式則細(xì)分到8個(gè)電氣角。


一個(gè)電周期內(nèi)的電氣角位置比整步模式多了一倍。同樣數(shù)量的脈沖信號(hào)下大大提高了控制精度。進(jìn)而，不斷分割兩相驅(qū)動(dòng)電流，得到更小的步進(jìn)增量，就是現(xiàn)在很出名的微步驅(qū)動(dòng)，也是現(xiàn)在很多步進(jìn)電機(jī)都會(huì)用的驅(qū)動(dòng)方式。

不過需要注意的是，雖然微步驅(qū)動(dòng)可以大大提高步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確性，但步進(jìn)電機(jī)的丟步問題也還是無法避免的。

現(xiàn)在也可以看到越來越多廠商推出一體化閉環(huán)電機(jī)，填補(bǔ)開環(huán)的步進(jìn)電機(jī)和高性能伺服電機(jī)中間階段的空白。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)可以控制轉(zhuǎn)子的角度位置，不需要傳感器來控制位置，是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。

在高速度，高響應(yīng)，高精度的需求下，步進(jìn)電機(jī)也開始往閉環(huán)發(fā)展。閉環(huán)的驅(qū)控可以解決丟步問題，也是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)控能力的體現(xiàn)?，F(xiàn)在不少一體化閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)，在驅(qū)控的加持下都有了精確的定位與流暢的運(yùn)動(dòng)曲線。

小結(jié)

在驅(qū)動(dòng)方式的技術(shù)更新下，步進(jìn)電機(jī)在不少傳統(tǒng)應(yīng)用和新興應(yīng)用中有著很大的應(yīng)用空間，同時(shí)驅(qū)動(dòng)能力的提升也使步進(jìn)系統(tǒng)逐漸進(jìn)入高精度要求的機(jī)器，填補(bǔ)開環(huán)步進(jìn)和高性能伺服中間斷檔的空缺。