步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC基礎(chǔ)知識(shí):類型、用途和工作原理

在本文中，我們將介紹步進(jìn)電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)。您將了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理，結(jié)構(gòu)，控制方法，用途和類型，以及其優(yōu)缺點(diǎn)。

步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)步進(jìn)電機(jī)是一種電動(dòng)機(jī)，其主要特征是其軸通過執(zhí)行步進(jìn)（即通過移動(dòng)固定的度數(shù)）來旋轉(zhuǎn)。由于電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以獲得此功能，并且只需計(jì)算步驟的操作即可知道軸的確切角度位置，而無需傳感器。此功能還使其適用于廣泛的應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)工作原理 與所有電動(dòng)機(jī)一樣，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有固定部件（定子）和移動(dòng)部件（轉(zhuǎn)子）。在定子上，有連接線圈的齒，而轉(zhuǎn)子要么是永磁體，要么是可變磁阻鐵芯。稍后我們將深入研究不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖1顯示了表示電機(jī)截面的圖紙，其中轉(zhuǎn)子是可變磁阻鐵芯。

圖1：步進(jìn)電機(jī)的橫截面

步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理如下：通過為一個(gè)或多個(gè)定子相供電，線圈中的電流產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子與該磁場對齊。通過按順序提供不同的相位，轉(zhuǎn)子可以旋轉(zhuǎn)特定量以達(dá)到所需的最終位置。圖 2 顯示了工作原理的表示形式。開始時(shí)，線圈A通電，轉(zhuǎn)子與其產(chǎn)生的磁場對齊。當(dāng)線圈B通電時(shí)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°以與新磁場對齊。當(dāng)線圈C通電時(shí)，也會(huì)發(fā)生同樣的情況。在圖片中，定子齒的顏色表示定子繞組產(chǎn)生的磁場的方向。

圖2：步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)

步進(jìn)電機(jī)類型和結(jié)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī)的性能 - 無論是在分辨率（或步長），速度和扭矩方面 - 都受到結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的影響，同時(shí)也可能影響電機(jī)的控制方式。事實(shí)上，并非所有步進(jìn)電機(jī)都具有相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（或結(jié)構(gòu)），因?yàn)橛胁煌霓D(zhuǎn)子和定子配置。
轉(zhuǎn)子

對于步進(jìn)電機(jī)，基本上有三種類型的轉(zhuǎn)子：

• 永磁轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子是與定子電路產(chǎn)生的磁場對齊的永磁體。該解決方案保證了良好的扭矩和制動(dòng)扭矩。這意味著無論線圈是否通電，電機(jī)都會(huì)抵抗位置的變化，即使不是很強(qiáng)。與其他類型相比，此解決方案的缺點(diǎn)是速度較低，分辨率較低。圖3顯示了永磁步進(jìn)電機(jī)的一部分。

圖3：永磁步進(jìn)電機(jī)

• 可變磁阻轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子由鐵芯制成，并具有特定的形狀，使其能夠與磁場對齊（參見圖1和圖2）。使用這種解決方案，更容易達(dá)到更高的速度和分辨率，但它產(chǎn)生的扭矩通常較低，并且沒有制動(dòng)扭矩。
• 混合轉(zhuǎn)子：這種轉(zhuǎn)子具有特定的結(jié)構(gòu)，是永磁體和可變磁阻版本的混合體。轉(zhuǎn)子有兩個(gè)帶交替齒的蓋子，并軸向磁化。這種配置使電機(jī)具有永磁體和可變磁阻版本的優(yōu)點(diǎn)，特別是高分辨率，速度和扭矩。這種更高的性能需要更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此成本更高。圖3顯示了該電機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化示例。當(dāng)線圈A通電時(shí)，N磁化帽的齒與定子的S磁化齒對齊。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，S磁化齒與定子的N磁化齒對齊。真正的電機(jī)具有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，齒數(shù)比圖中所示的要多，盡管步進(jìn)電機(jī)的工作原理相同。高齒數(shù)使電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)小步長，低至0.9°。

圖4：混合式步進(jìn)電機(jī)

定子

定子是電機(jī)的一部分，負(fù)責(zé)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子將要對齊的磁場。定子電路的主要特性包括其相數(shù)和極對，以及導(dǎo)線配置。相數(shù)是獨(dú)立線圈的數(shù)量，而極對的數(shù)量表示每個(gè)相位如何占據(jù)主齒對。兩相步進(jìn)電機(jī)是最常用的，而三相和五相電機(jī)則不太常見（見圖5和圖6）。

圖5：兩相定子繞組(左)，三相定子繞組(右)

圖 6：兩相單極對定子(左)和兩相偶極子對定子(右)。字母顯示A +和A-之間施加正電壓時(shí)產(chǎn)生的磁場。

步進(jìn)電機(jī)控制 我們之前已經(jīng)看到，電機(jī)線圈需要以特定的順序通電，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)子將要對齊的磁場。使用幾種設(shè)備為線圈提供必要的電壓，從而使電機(jī)正常工作。從更靠近電機(jī)的設(shè)備開始，我們擁有：

晶體管電橋是物理控制電機(jī)線圈電氣連接的器件。晶體管可以看作是電控滅弧室，當(dāng)關(guān)閉時(shí)，它允許線圈連接到電源，從而允許線圈中的電流流動(dòng)。每個(gè)電機(jī)相位需要一個(gè)晶體管電橋。
預(yù)驅(qū)動(dòng)IC是一種控制晶體管激活的器件，提供所需的電壓和電流，而后者又由MCU控制。
MCU是一種微控制器單元，通常由電機(jī)用戶編程，并為預(yù)驅(qū)動(dòng)IC生成特定信號(hào)，以獲得所需的電機(jī)行為。

圖7顯示了步進(jìn)電機(jī)控制方案的簡單表示。預(yù)驅(qū)動(dòng)IC和晶體管電橋可以包含在單個(gè)器件中，稱為驅(qū)動(dòng)IC。

圖7：電機(jī)控制基本方案

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器類型

市場上有不同的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC，它們展示了特定應(yīng)用的不同功能。最重要的特征包括輸入接口。最常見的選項(xiàng)是：

1. 步進(jìn)/方向 – 通過在步進(jìn)引腳上發(fā)送脈沖，驅(qū)動(dòng)IC改變其輸出，以便電機(jī)將執(zhí)行步進(jìn)，其方向由方向引腳上的電平確定。
2. 相位/使能 – F或每個(gè)定子繞組相位，相位確定電流方向，如果相位通電，則觸發(fā)使能。
3. PWM – 直接控制低端和高側(cè)FET的柵極信號(hào)。

 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC的另一個(gè)重要特征是，它是否只能控制繞組兩端的電壓，或者同時(shí)控制流經(jīng)繞組的電流：

1. 通過電壓控制，驅(qū)動(dòng)IC僅調(diào)節(jié)繞組兩端的電壓。產(chǎn)生的扭矩和執(zhí)行步驟的速度僅取決于電機(jī)和負(fù)載特性。
2. 電流控制驅(qū)動(dòng)IC更先進(jìn)，因?yàn)樗鼈冋{(diào)節(jié)流經(jīng)有源線圈的電流，以便更好地控制產(chǎn)生的扭矩，從而控制整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。

單極/雙極電機(jī)

電機(jī)的另一個(gè)影響控制的特征是定子線圈的排列，這些線圈決定了電流方向是如何變化的。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)，不僅需要為線圈通電，還需要控制電流的方向，這決定了線圈本身產(chǎn)生的磁場的方向（見圖8）。 在步進(jìn)電機(jī)中，控制電流方向的問題通過兩種不同的方法解決。

圖8：基于線圈電流方向的磁場方向

在單極步進(jìn)電機(jī)中，其中一根引線連接到線圈的中心點(diǎn)（見圖9）。這允許使用相對簡單的電路和元件來控制電流的方向。中央引線（AM)連接到輸入電壓V在 （請參閱圖 8）。如果 MOSFET 1 處于活動(dòng)狀態(tài)，則電流從 A 流出M到 A+。如果 MOSFET 2處于活動(dòng)狀態(tài)，則電流從 A 流出M到A-，在相反的方向上產(chǎn)生磁場。如上所述，這種方法允許更簡單的驅(qū)動(dòng)電路（只需要兩個(gè)半導(dǎo)體），但缺點(diǎn)是一次只使用電機(jī)中使用的銅的一半，這意味著對于在線圈中流動(dòng)的相同電流，如果使用所有銅，磁場的強(qiáng)度是原來的一半。此外，這些電機(jī)更難構(gòu)建，因?yàn)楸仨毺峁└嗟囊€作為電機(jī)輸入。

圖9：單極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在雙極步進(jìn)電機(jī)中，每個(gè)線圈只有兩根引線可用，為了控制方向，必須使用H橋（見圖10）。如圖8所示，如果MOSFET 1和4有源，則電流從A+流向A-，而如果MOSFET 2和3有源，電流從A-流向A+，產(chǎn)生相反方向的磁場。該解決方案需要更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路，但允許電機(jī)達(dá)到所用銅量的最大扭矩。

圖10：雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

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