文章 概述

本文主要探討了步進電機的驅(qū)動工作原理，重點分析了全步、半步和微步三種控制模式的 原理 、 優(yōu)劣勢 及其在自動化設(shè)備中的 應(yīng)用 。文章基于ADI Trinamic系列產(chǎn)品，詳細介紹了步進電機的基本結(jié)構(gòu)和工作機制，并對比了三種控制模式的性能特點。文章還介紹了相關(guān)產(chǎn)品，展示了步進電機驅(qū)動技術(shù)在自動化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。

步進電機在眾多自動化設(shè)備中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，具備高可靠性，且在開環(huán)控制時能實現(xiàn)高精度定位，在低速運行時可提供高扭矩，所以被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、3D 打印、機器人技術(shù)等領(lǐng)域。本文基于 ADI Trinamic 系列產(chǎn)品，淺談 步進電機 的 驅(qū)動技術(shù) ，包括全步、半步和微步控制模式的原理、優(yōu)劣勢。1. 步進電機基礎(chǔ)1.1 電機結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)步進電機主要由磁性轉(zhuǎn)子和定子線圈構(gòu)成。常見的混合 2相步進電機，其轉(zhuǎn)子包含兩個磁杯，每個磁杯通常有 50 個齒，且極性相反、相互偏移；定子則有兩個繞在轉(zhuǎn)子周圍的線圈。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計使得電機能夠通過電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)精確的旋轉(zhuǎn)運動。

圖 1. 混合式步進電機結(jié)構(gòu)。(a) 8 極定子。(b) 永磁體轉(zhuǎn)子。（圖片來源于ADI）1.2 工作機制當按順序給定子線圈通電時，會產(chǎn)生磁場，該磁場與轉(zhuǎn)子的永磁體相互作用，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

圖 2. 混合式步進電機運行。（圖片來源于ADI）電機通過將完整旋轉(zhuǎn)劃分為等距步來實現(xiàn)精確位置控制，例如每轉(zhuǎn) 200 個離散位置的電機，步距角為 1.8°（360° 除以全步數(shù)）。電流切換使磁場變化，從而引導(dǎo)轉(zhuǎn)子按步距角轉(zhuǎn)動，且無需位置反饋（開環(huán)控制）。這種工作機制使得步進電機在許多需要精確位置控制的應(yīng)用中具有獨特優(yōu)勢。

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1.3 全步模式與半步模式為了更好地理解步進電機的步進行為，我們將評估一個簡化的具有一個磁極對的 2 相步進電機模型

圖 3. 簡化的帶永磁體轉(zhuǎn)子的 2 相步進電機。（圖片來源于ADI）

• 全步模式

• 原理 ：驅(qū)動器向兩個線圈通正或負電流，使兩相同時通電以實現(xiàn)最大扭矩。通過切換線圈電流方向，可使電機軸按固定步距角旋轉(zhuǎn)，這種換向模式遵循特定序列。

• 線圈 1 = +I，線圈 2 = +I

• 線圈 1 = -I，線圈 2 = +I

• 線圈 1 = -I，線圈 2 = -I

• 線圈 1 = +I，線圈 2 = -I

圖 4. 2 相步進電機的全步模式 （圖片來源于ADI）如上圖，展示了兩相步進電機在全步模式下的四個不同狀態(tài)。每個狀態(tài)中，線圈的通電情況與上方電流倍數(shù)相對應(yīng)，并且可以看到轉(zhuǎn)子（圖中藍色和橙色部分）在不同通電狀態(tài)下的位置變化，直觀地展示了全步模式下電機的運行原理。在第一步時，線圈 1 的電流倍數(shù)為 1，線圈 2 的電流倍數(shù)也為 1；在第二步時，線圈 1 的電流倍數(shù)變?yōu)?- 1，線圈 2 的電流倍數(shù)仍為 1，以此類推，呈現(xiàn)出周期性的變化。

• 全步模式性能優(yōu)勢與局限 ： 全步模式能實現(xiàn)精確步距、速度控制和高保持扭矩，在高速運行時可最大化扭矩輸出。但因其步距較大，會導(dǎo)致電機在運行中產(chǎn)生明顯位置跳躍，引發(fā)高共振，使電機超過目標位置，從而降低實際施加扭矩，產(chǎn)生振動和噪聲。這在一些對精度和穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用中可能會帶來問題。

圖 5. 全步運行時的過沖和振蕩。（圖片來源于ADI）如上圖，全步模式呈現(xiàn)出周期性的階梯狀變化?？梢钥吹皆诿總€全步切換時，轉(zhuǎn)子位置會出現(xiàn)明顯的過沖（overshoot，即位置超過了預(yù)期的穩(wěn)定位置）和振蕩（ringing，即位置在穩(wěn)定位置附近波動）現(xiàn)象。例如，在從第一步切換到第二步時，轉(zhuǎn)子位置先快速上升超過了第二步的穩(wěn)定位置，然后在該位置附近振蕩一段時間后才逐漸穩(wěn)定。

• 半步模式

• 原理 ：半步模式在全步模式基礎(chǔ)上，通過在兩相通電切換過程中增加一個額外電流狀態(tài)，使每個磁極對的轉(zhuǎn)子位置數(shù)量翻倍，達到八個，從而將步長減半，實現(xiàn)位置分辨率的提升。電機驅(qū)動器通過交替進行單相和雙相勵磁來實現(xiàn)這種半步行為。

  
  

  

  
  

圖 6. 2 相步進電機的半步模式。（圖片來源于ADI）如上圖，展示了在八個半步狀態(tài)下，兩個線圈的電流倍數(shù)變化情況?？梢钥吹诫娏髯兓宇l繁，與全步模式相比，電流狀態(tài)的切換更加精細，這是為了實現(xiàn)更小的步長。

• 性能優(yōu)勢與局限 ：半步模式在一定程度上改善了位置過沖、振動和噪聲問題，低速時旋轉(zhuǎn)扭矩略有增加。但由于電機仍存在相對較大的位置跳躍，其旋轉(zhuǎn)并非完全平滑，尤其在低速運行時，這種不平穩(wěn)性更為顯著。這促使了對更精細控制方式 —— 微步控制的需求。

1.4 微步控制技術(shù)（一）原理與實現(xiàn)1). 微步控制的概念微步控制是一種先進的控制方法，它允許電機旋轉(zhuǎn)到全步之間的多個中間位置，從而顯著提高位置分辨率并實現(xiàn)更平滑的低速旋轉(zhuǎn)。通過將每個全步細分為一系列等距的微步來達成這一目標。

圖 7. 微步控制時通過每個線圈的電流。（圖片來源于ADI）如上圖，展示了微步控制過程中電機的不同狀態(tài)，包括線圈 A1、A2 和 B1、B2 的通電情況以及轉(zhuǎn)子的相應(yīng)位置變化，直觀地呈現(xiàn)了微步控制下電機的工作過程。

圖 8. 不同步模式下電流波形和位置過沖 / 振蕩的比較。（圖片來源于ADI）如上圖，綠色曲線（線圈 1）和紅色曲線（線圈 2）分別展示了在不同步模式下兩個線圈的電流變化情況?？梢悦黠@看出，全步模式下電流變化是階梯狀的，半步模式下階梯更細密，而微步模式下電流變化趨近于正弦波，更加平滑。下方是位置過沖 / 振蕩圖，展示了在不同步模式下轉(zhuǎn)子位置的變化情況。全步模式下位置過沖和振蕩明顯，半步模式有所改善，微步模式下位置變化更加平穩(wěn)，幾乎沒有明顯的過沖和振蕩，進一步說明了微步控制在改善電機運行性能方面的優(yōu)勢。2). 工作方式與技術(shù)實現(xiàn)微步控制實現(xiàn)了最佳的運行行為。在這里，相不僅被接通和斷開，還被充入不同的電流值。兩個相由偏移 90° 的近似正弦波控制。一個全步被分成更小的單元。這些被稱為 “微步”。微步分辨率是一個全步被劃分成的中間位置的數(shù)量。

圖9. 1/16 微步的運行情況 （圖片來源于ADI）如上圖，左側(cè)圖示： 兩相（相A 和 相B）的電流變化曲線?？梢钥吹?相A 和 相B 的電流曲線呈近似正弦波且相互偏移 90°。圖中標注了 16 個微步和 1個整步，說明了在一個全步內(nèi)被細分為 16 個微步，通過控制兩相電流的變化來實現(xiàn)微步控制。中間圖示： 這是一個角度示意圖，展示了  1 個整步被劃分為 16 個微步的情況。右側(cè)圖示： 展示了微步控制在實際電機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用場景，說明通過對兩相線圈電流的精確控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子在更小步距下的精確旋轉(zhuǎn)。3). 性能優(yōu)勢與局限微步分辨率越高，相電流的理論正弦波形就越平滑。由于在微模式下的行進距離與全步操作相比顯著減小，瞬態(tài)效應(yīng)也顯著降低。然而，在實踐中，僅指定正弦設(shè)定點不足以獲得正弦相電流。電感器的切換以及其他干擾效應(yīng)需要進一步的措施來保持非常平穩(wěn)的運行。1.5 步進電機三種模式優(yōu)劣勢（全步，半步，微步）

相關(guān)產(chǎn)品

1. TMC2240 和 TMC5240TMC2240 和 TMC5240 是智能、高性能的 2 相步進電機驅(qū)動 IC，集成了運動控制器，通過 8 點運動斜坡功能簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，使用戶能夠輕松編程所需的位置和運動曲線2. TMC2160 和 TMC5160TMC2160 和 TMC5160 是高功率的 2 相步進電機驅(qū)動 IC，支持 256 微步分辨率和 MicroPlyer 微步插值。它們利用多種 Trinamic 技術(shù)優(yōu)化驅(qū)動器性能，適用于從電池供電系統(tǒng)到高壓工業(yè)應(yīng)用的廣泛場景。3. TMC2300TMC2300 是專為 2 相電池供電步進電機設(shè)計的低壓驅(qū)動器，具備 256 微步分辨率以及 CoolStep、StealthChop2、StallGuard4 和 SpreadCycle 等功能。

最后

步進電機驅(qū)動技術(shù)在自動化領(lǐng)域中占據(jù)著舉足輕重的地位，其從基礎(chǔ)的全步、半步模式發(fā)展到先進的微步控制技術(shù)，不斷滿足著各行業(yè)對高精度、低噪聲、高效率的需求，無論是在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療設(shè)備，還是在新興的物聯(lián)網(wǎng)、機器人等領(lǐng)域，都展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>