详解步进电机的结构和三种控制模式

在如今这个智能时代，步进电机因其特有的开环位置控制性能而被广泛应用。各设备在步进电机转动的过程中，对它输出力矩的平滑性有一定的要求。

转动的稳定性除了和步进电机的本体结构有关，也和步进电机的控制方式息息相关。

本文将介绍双极性步进电机及其结构和控制模式。

双极性步进电机的基本组件

步进电机属于无刷直流 (BLDC) 电机，它按照等长的步进值逐步转动。而双极性步进电机则是每相都拥有一个绕组的步进电机，具体而言是两相四线步进电机。它由定子和转子两个主要部件组成（见图 1）。

图1: 双极性步进电机的结构示意图

定子

定子是电机的静止部分。8 个定子上分别绕有两相双极性绕组，每个定子铁芯上带有五齿（见图 1）。

A 相绕组绕线从定子 1 开始绕，依次绕到定子3, 5, 7上（见图 2）。值得注意的是，定子 1 和 5 的绕线方向相同，而定子 3 和 7 的绕线方向相同。这两组（定子 1 和 5，以及定子 3 和 7）的绕线方向相反。B 相绕组也是以同样的原理进行绕制，其中定子 4 和 8 为一组，定子 2 和 6 为一组。

图2: 双极性步进电机的绕组原理图

转子

通常转子上贴有轴向充磁的永磁体。图 3 所示为转子的结构。

图3: 转子结构示意图

图 4 展示了转子的侧面截面图。

图4：转子侧面截面图

永磁体的磁力线在电机本体内形成闭合。由于磁力线和磁阻效应，即使步进电机在不通电的情况下也有一定的锁定力矩（见图 4）。

转子上拥有 50 个齿，和定子齿轮相对起来，由于这样的齿数和相数结构，它拥有 1.8 度的步进角度（见图 5）。步进角度：电气周期完成 90 度，步进电机转子前进的机械角度。

图5: 1.8°步进角度结构示意图

步进模式

为了方便讲解后续的控制方式，我们将复杂的结构图简化为示意图（见图 6）。

图 6：双极性步进电机简化示意图

步进电机的定子和转子可以被看作都只有一个齿，这使步进电机的驱动方式不同于其他电机。这种方法叫做双全桥驱动，其中 A 相绕组接在第一个全桥驱动上， B 相绕组接在第二个全桥驱动上（见图 7）。

图 7：双全桥驱动电路图

双极性步进电机具有三种控制模式：单相步进、整步步进和半步步进（见表 1）。

表1: 步进模式表

单相步进

当 A 相和 B 相按照单相步进的模式依次通电的时候，定子磁场会相应地发生变化，转子也会由于极性吸引而转动。表 1 中详细描述了 A 相和 B 相 (AB) 的通电顺序和转子的转动位置。

单相步进过程具体包括三个步骤，如下所述：

1. 当 A 通电的时候，驱动电流由 Q1 流向 Q4。此时定子 A 上端为 N，下端在 S，转子转到位置 8（见图 6）。
2. 接下来，B 相通电，驱动电流由 Q5 流向 Q8。此时定子 B 左端为 S，右端为 N，转子转到位置 2（见图 6）。
3. 接下来两个状态原理和上面类似，循环这一通电顺序，转子就开始转动起来。

图 8 显示了单相步进 AB 相的电流波形。

图 8：单相步进 AB 相电流波形图

整步步进

与单相步进不同的是，整步步进式 AB 绕组会同时进行通电。另外还有四个对应的通电方式和转子电气位置，只是其位置空间在电气空间上不同于单相步进。根据整部的通电顺序，转子也能转动起来。图 9 显示了 AB 相的整步电流波形。

图 9：整步步进 AB 相电流波形图

半步步进

半步模式将单相步进和整步步进这两种控制方式进行融合，它的电气角度位置更多，电流波形更加细致，转动更加平滑。

图 10 显示了单相到两相操作的非循环半步模式。这种模式在整步和半步之间交替生成 8 步序列。

图 10：非循环半步模式

结语

本文回顾了双极性步进电机的基本组件（定子和转子），以及三种主要的控制模式：单相步进、整步步进和半步步进。