步进电机的驱动原理及全步、半步和微步三种控制模式分析

步进电机的驱动原理及全步、半步和微步三种控制模式分析

步进电机在自动化设备中发挥着关键作用，其通过精确控制步距角实现高精度定位。本文将详细介绍步进电机的驱动原理及其三种控制模式（全步、半步和微步）的优劣势，并通过ADI Trinamic系列产品展示其在自动化领域的广泛应用前景。

步进电机基础

电机结构

步进电机主要由磁性转子和定子线圈构成。常见的混合2相步进电机，其转子包含两个磁杯，每个磁杯通常有50个齿，且极性相反、相互偏移；定子则有两个绕在转子周围的线圈。这种结构设计使得电机能够通过电磁感应原理实现精确的旋转运动。

图 1. 混合式步进电机结构。(a) 8 极定子。(b) 永磁体转子。（图片来源于ADI）

工作机制

当按顺序给定子线圈通电时，会产生磁场，该磁场与转子的永磁体相互作用，使转子旋转。电机通过将完整旋转划分为等距步来实现精确位置控制，例如每转200个离散位置的电机，步距角为1.8°（360°除以全步数）。电流切换使磁场变化，从而引导转子按步距角转动，且无需位置反馈（开环控制）。

全步模式与半步模式

为了更好地理解步进电机的步进行为，我们将评估一个简化的具有一个磁极对的2相步进电机模型

图 3. 简化的带永磁体转子的 2 相步进电机。（图片来源于ADI）

全步模式

• 原理：驱动器向两个线圈通正或负电流，使两相同时通电以实现最大扭矩。通过切换线圈电流方向，可使电机轴按固定步距角旋转，这种换向模式遵循特定序列。
• 性能优势与局限：全步模式能实现精确步距、速度控制和高保持扭矩，在高速运行时可最大化扭矩输出。但因其步距较大，会导致电机在运行中产生明显位置跳跃，引发高共振，使电机超过目标位置，从而降低实际施加扭矩，产生振动和噪声。这在一些对精度和稳定性要求较高的应用中可能会带来问题。

图 6. 2 相步进电机的半步模式。（图片来源于ADI）

半步模式

• 原理：半步模式在全步模式基础上，通过在两相通电切换过程中增加一个额外电流状态，使每个磁极对的转子位置数量翻倍，达到八个，从而将步长减半，实现位置分辨率的提升。电机驱动器通过交替进行单相和双相励磁来实现这种半步行为。
• 性能优势与局限：半步模式在一定程度上改善了位置过冲、振动和噪声问题，低速时旋转扭矩略有增加。但由于电机仍存在相对较大的位置跳跃，其旋转并非完全平滑，尤其在低速运行时，这种不平稳性更为显著。这促使了对更精细控制方式——微步控制的需求。

微步控制技术

原理与实现

• 微步控制的概念：微步控制是一种先进的控制方法，它允许电机旋转到全步之间的多个中间位置，从而显著提高位置分辨率并实现更平滑的低速旋转。通过将每个全步细分为一系列等距的微步来达成这一目标。
• 工作方式与技术实现：微步控制实现了最佳的运行行为。在这里，相不仅被接通和断开，还被充入不同的电流值。两个相由偏移90°的近似正弦波控制。一个全步被分成更小的单元。这些被称为“微步”。微步分辨率是一个全步被划分成的中间位置的数量。
• 性能优势与局限：微步分辨率越高，相电流的理论正弦波形就越平滑。由于在微模式下的行进距离与全步操作相比显著减小，瞬态效应也显著降低。然而，在实践中，仅指定正弦设定点不足以获得正弦相电流。电感器的切换以及其他干扰效应需要进一步的措施来保持非常平稳的运行。

步进电机三种模式优劣势（全步，半步，微步）

总结

步进电机驱动技术在自动化领域中占据着举足轻重的地位，其从基础的全步、半步模式发展到先进的微步控制技术，不断满足着各行业对高精度、低噪声、高效率的需求，无论是在工业生产、医疗设备，还是在新兴的物联网、机器人等领域，都展现出了广阔的应用前景和巨大的发展潜力。

本文原文来自360doc.com