步进电机工作原理及其控制详解，值得一学！

电机将电能转换成机械能，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

永磁步进电机包括一个永磁转子、线圈绕组和导磁定子。激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，见图1所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。

图2显示了一个两相电机的典型的步进顺序。在第1步中，两相定子的A相通电，因异性相吸，其磁场将转子固定在图示位置。当A相关闭、B相通电时，转子顺时针旋转90°。在第3步中，B相关闭、A相通电，但极性与第1步相反，这促使转子再次旋转90°。在第4步中，A相关闭、B相通电，极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90°的步距角顺时针旋转。

图2中显示的步进顺序称为“单相激励”步进。更常用的步进方法是“双相激励”，其中电机的两相一直通电。但是，一次只能转换一相的极性，见图3所示。两相步进时，转子与定子两相之间的轴线处对直。由于两相一直通电，本方法比“单相通电”步进多提供了41.1%的力矩，但输入功率却为2倍。

半步步进电机也可在转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”。这将步进电机的整个步距角一分为二。例如，一个90°的步进电机将每半步移动45°，见图4。但是，与“两相通电”相比，半步进通常导致15%～30%的力矩损失（取决于步进速率）。在每交换半步的过程中，由于其中一个绕组没有通电，所以作用在转子上的电磁力要小，造成了力矩的净损失。

双相激励介绍了利用一种“双极性线圈绕组”的方法。每相用一个绕组，通过将绕组中电流反向，电磁极性被反向。典型的两相双极驱动的输出步骤在电气原理图和图5中的步进顺序中进一步阐述。按图所示，转换只利用绕组简单地改变电流的方向，就能改变该组的极性。

单极性绕组

另一常用绕组是单极性绕组。其一个电极上有两个绕组，这种联接方式为当一个绕组通电时，产生一个北极磁场；另一个绕组通电，则产生一个南极磁场。因为从驱动器到线圈的电流不会反向，所以可称其为单极绕组。该步进顺序见图6所示。该设计使得电子驱动器简单化。但是，与双极性绕组相比，其力矩大约少30%，因为励磁线圈仅被利用了一半。

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：

用达林顿管驱动四相步进电机举例：（两相步进电机多采用H桥驱动，如L298N和L293D芯片）

步进电机类型及其辨别：

对于业余爱好者来说，最容易得到的步进电机是单极性(又称双线或4相)和双极性(又称单线或两相)步进电机。

一、单极性步进电机

这种步进电机之所以称为单极性是因为每个绕组中电流仅沿一个方向流动。它也被称为两线步进电机，因为它只含有两个线圈。两个线圈的极性相反，卷绕在同一铁芯上，具有同一个中间抽头。单极性步进电机还被称为4相步进电机，因为它有4个激励绕组。单极性步进电机的引线有5或6根。

如果步进电机的引线是5根，那么其中一根是公共线(连接到V+)，其他4根分别连到电机的4相。如果步进电机的引线是6根，那么它是多段式单极性步进电机有两个绕组，每个绕组分别有一个中间抽头引线。但是如何分辨这些引线呢?请继续读下述内容。

1．分辨5线单极性步进电机接头

为了找出正确的引线顺序并使电机转动，需要一块电池和一段胶带(当然也需要一个5引线步进电机)。备好记号笔来标注引线以便分辨它们。按以下步骤操作：

①用数字万用表找到公共线。其他引线与 公共线之间的电阻测量值都相同。将此线连接到电池的V+。5V或6V就足够测试用了。

②胶带粘贴到步进电机的输出铀上，并使它垂直于轴端伸出成为一个标志。此标志的作用在于判断电机是否转动。

③任意挑出一条引线称之为相1。若将此线接地，则电机输出轴将做轻微的转动。现在步进电机被锁定在相1的位置上。

④取另一根引线并将其接地，仔细观察输出轴上的胶带。如果输出轴向右轻微地旋转，那么此根引线是相2。如果输出轴向左轻微地旋转，那么此根引线是相4。如果输出轴不旋转，那么此根引线就是相3。

2．分辨6线单极性步进电机接头

回收打印机旧电机时最常遇到这种类型的单极性步进电机。6线单极性步进电机通常看起来像是两个单段式电机叠放在一起，每个单段有3根线引出。这种步进电机的引线非常容易分辨。

分辨6线步进电机引线顺序的工作相当简单。如果它的结构形式是多段式步进电机，那么引线的顺序实际上已经给出了，用数字万用表可以找出每对绕组的公共线。只要保持绕组对的两根引线对应一致，它们的顺序并无关紧要，仅会影响电机的旋转方向而已。

如果不是多段式的6线步进电机，可以按以下步骤确定绕组对的引线：

①使用数字万用表找出每对绕组的公共端。

②照上述方法能找出两个绕组对，分隔它们并加以标记。请将其中一个绕组对标记为A和C(也可以是1和3)，另一个标记为B和D(也可以是2和4)。在每一对绕组中，哪条引线是何顺序并不重要，只要成对就足够了。

二、双极性步进电机

双极性步进电机之所以如此命名，是因为每个绕组都可以两个方向通电。因此每个绕组都既可以是N极又可以是S极。它又被称为单绕组步进电机，因为每极只有单一的绕组，它还被称为两相步进电机，因为具有两个分离的线圈。

双极性步进电机有四根引线，每个绕组两条。与同样尺寸和重量的单极性步进电极相比，双极性步进电机具有更大的驱动能力，原因在于其磁极(不是中间抽头的单一线圈)中的场强是单极性步进电机的两倍。双极性步进电机的每个绕组需要一个可逆电源，通常由H桥驱动电路提供。由于双极性步进电机比单极性步进电机的输出力矩大，因此总是应用于空间有限的设计中。这也是软盘驱动器的磁头步进机械系统的驱动之所以总是采用双极性步进电机的原因。

可以相当简单地使用数字万用表来查找两个绕组。如果在某两根引线之间能够测量到阻值，那么这两根引线之间就属于一个绕组，其他两根线之间是另外一个绕组。双极性步进电机的步距通常是1.8°，也就是每周200步。

总算有人把步进电机控制方法讲得明明白白

步进电机已经渗透入我们生活的方方面面，本文介绍了一些重要的步进电机相关技术，为开发人员基本了解步进电机的工作原理提供了足够的信息，同时也介绍了用微控制器或数字信号处理器控制步进电机的方法。

步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等)的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。

不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中，只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：可变磁阻步进电机和永磁步进电机。本文重点讨论更为简单也更常用的永磁步进电机。

步进电机的构造 如图1所示，步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。如果线圈中电流的流向如图1所示，并且我们从电机顶部向下看齿槽的顶部，那么电流在绕两个齿槽按逆时针流向流动。根据安培定律和右手准则，这样的电流会产生一个北极向上的磁场。

现在假设我们构造一个定子上缠绕有两个绕组的电机，内置一个能够绕中心任意转动的永久磁铁，这个可旋转部分叫做转子。图2给出了一种简单的电机，叫做双相双极电机，因为其定子上有两个绕组，而且其转子有两个磁极。如果我们按图2a所示方向给绕组1输送电流，而绕组2中没有电流流过，那么电机转子的南极就会自然地按图中所示，指向定子磁场的北极。

再假设我们切断绕组1中的电流，而按图2b所示方向给绕组2输送电流，那么定子的磁场就会指向左侧，而转子也会随之旋转，与定子磁场方向保持一致。接着，我们再将绕组2的电流切断，按照图2c的方向给绕组1输送电流，注意：这时绕组1中的电流流向与图2a所示方向相反。于是定子的磁场北极就会指向下，从而导致转子旋转，其南极也指向下方。然后我们又切断绕组1中的电流，按照图2d所示方向给绕组2输送电流，于是定子磁场又会指向右侧，从而使得转子旋转，其南极也指向右侧。

最后，我们再一次切断绕组2中的电流，并给绕组1输送如图2a所示的电流，这样，转子又会回到原来的位置。至此，我们对电机绕组完成了一个周期的电激励，电机转子旋转了一整圈。也就是说，电机的电频率等于它转动的机械频率。如果我们用1秒钟顺序完成了图2所示的这4个步骤，那么电机的电频率就是1Hz。其转子旋转了一周，因而其机械频率也是1Hz。总之，一个双相步进电机的电频率和机械频率之间的关系可以用下式表示：fe=fm*P/2 (1)其中，fe代表电机的电频率，fm代表其机械频率，而P则代表电机转子的等距磁极数。从图2中我们还可以看出，每一步操作都会使转子旋转90°，也就是说，一个双相步进电机每一步操作造成的旋转度数可由下式表示：1 step= 180°/P (2)由等式(2)可知，一个双极电机每动作一次可以旋转180°/2=90°，这与我们在图2中看到的情形正好相符。此外，该等式还表明，电机的磁极数越多，步进精度就越高。常见的是磁极数在12和200个之间的双相步进电机，这些电机的步进精度在15°和 0.9°之间。

图3给出的例子是一个双相、6极步进电机，其中包含3个永久磁铁，因而有6个磁极。第一步，如图3a所示，我们给绕组1施加电压，在定子中产生一个北极指向其顶部的磁场，于是，转子的南极(图3a中红色的“S”一端)转向了该图的上方。接着，在图3b中，我们给绕组2施加电压，定子中产生一个北极指向其左侧的磁场。

于是，转子的一个距离最近的南极转向了图的左方，即转子顺时针转动了30°。第三步，在图3c中，我们又向绕组1施加一个电压，在定子中产生一个北极指向图下方的磁场，从而又使转子顺时针旋转30°到达图3c所示的位置。而在图3d中，我们给绕组2施加电压，在定子中产生一个北极指向定子右侧的磁场，再一次使转子顺时针旋转30°，到达图3d所示的位置。

最后，我们再向绕组1施加电压，产生一个如图3a所示的北极指向定子上方的磁场，使得转子顺时针旋转30°，结束一个电周期。如此可以看出，4步电激励造成了120°的机械旋转。也就是说，该电机的电频率是机械频率的3倍，这一结果符合等式(1)。此外，我们从图3和等式(2)也能看出，该电机的转子每一步旋转30°。

如果同时向两个绕组输送电流，还能增大电机的扭矩，如图4所示。这时，电机定子的磁场是两个绕组各自产生的磁场的矢量和，虽然这一磁场每一次动作仍然只使电机旋转90°，就象图2和图3中一样，但因为我们同时激励两个电机绕组，所以此时的磁场比单独激励一个绕组时更强。由于该磁场是两个垂直场的矢量和，因此它等于单独每个场的2×1.414倍，从而电机对其负载施加的扭矩也成正比增大。电机的激励顺序 既然我们知道了一系列激励会使步进电机旋转，接下来就要设计硬件来实现所需的步进序列。一块能让电机动起来的硬件(或结合了硬件和软件的一套设备)就叫做电机驱动器。从图4中可以看出我们怎样激励双相电机的绕组才能使电机转子旋转，图中，电机内的绕组抽头分别被标为1A、1B、2A和2B。其中，1A和1B是绕组1的两个抽头，2A和2B则是绕组2的两个抽头。首先，要给脚1B和2B施加一个正电压，并将1A和2A接地。然后，给脚1B和2A施加一个正电压，而将1A和2B接地，这一过程其实取决于导线绕齿槽缠绕的方向，假设导线缠绕的方向与上一节所述相符。依次进行下去，我们就得到了表1中总结的激励顺序，其中，“1”表示正电压，“0”表示接地。

电流在电机绕组中有两种可能的流向，这样的电机就叫做双极电机和双极驱动序列。双极电机通常由一种叫做H桥的电路驱动，图5给出了连接H桥和步进电机两根抽头的电路。

H桥通过一个电阻连接到一个电压固定的直流电源(其幅度可根据电机的要求选取)，然后，该电路再经过4个开关(分别标为S1、S2、S3和S4)连接到绕组的两根抽头。这一电路的分布看起来有点象一个大写字母H，因此叫做H桥。从表1中可以看出，要激励该电机，第一步应将抽头2A设为逻辑0，2B设为逻辑1，于是，我们可以闭合开关S1和S4，并断开开关S2和S3。接着，需要将抽头2A设为逻辑1，2B设为逻辑0，于是，我们可以闭合S2、S3，并断开S1和S4。与此类似，第三步我们可以闭合S2、S3并断开S1和S4，第四步则可以闭合S1、S4并断开S2、S3。对绕组1的激励方法也不外乎如此，使用一对H桥就能产生需要的激励信号序列。表2所示就是激励过程中每一步开关所在的位置。

注意，如果R=0，而开关S1和S3又不小心同时闭合，那么流经开关的电流将达到无穷大。这时，不但开关会被烧坏，电源也可能损坏，因此电路中使用了一个非零阻值的电阻。尽管这个电阻会带来一定的功耗，也会降低电机驱动器的效率，但它可以提供短路保护。

单极电机及其驱动器 前面我们已经讨论了双极步进电机和驱动器。单极电机与双极电机类似，不同的是在单极电机中外部能够接触到的只有每个绕组的中心抽头，如图6所示。我们将从绕组顶部抽出的抽头标为抽头B，底部抽出的标为抽头A，中间的为抽头C。有时我们会遇到一些抽头没有标注的电机，如果我们清楚步进电机的构造，就很容易通过测量抽头之间的阻值，识别出哪些抽头属于哪根绕组。不同绕组的抽头之间阻抗通常为无穷大。如果经测量，抽头A和C之间的阻抗为100欧姆，那么抽头B和C之间的阻抗也应是100欧姆，而A和B之间的阻抗为200欧姆。200欧姆这一阻抗值就叫做绕组阻抗。

图7给出一个单极电机的单相驱动电路。从中可以看出，当S1闭合而S2断开时，电流将由右至左流经电机绕组；而当S1断开，S2闭合时，电流流向变为由左至右。因此，我们仅用两个开关就能改变电流的流向(而在双极电机中需要4个开关才能做到)。表3所示为单极电机驱动电路中，每一步激励时开关所处的位置。虽然单极电机的驱动器控制起来相对简单，但由于在电机中使用了中心抽头，因此它比双极电机更复杂，而且其价格通常比双极电机贵。此外，由于电流只流经一半的电机绕组，所以单极电机只能产生一半的磁场。在知道了单极电机和双极电机的构造原理之后，当我们遇到一个没有标示抽头也没有数据手册的电机时，我们就能自己推导出抽头和绕组的关系。带4个抽头的电机就是一个双相双极电机，我们可以通过测量导线之间的阻抗来分辨哪两个抽头属于同一个绕组。带6个抽头的电机可能是一个双相单极电机，也可能是一个三相双极电机，具体情况可以通过测量导线之间的阻抗来确定。

电机控制

本文前面讨论的电机控制理论可以采用全硬件方案实现，也可以用微控制器或DSP实现。图8说明了如何用晶体管作为开关来控制双相单极电机。每个晶体管的基极都要通过一个电阻连接到微控制器的一个数字输出上，阻值可以从1到10M欧姆，用于限制流入晶体管基极的电流。每个晶体管的发射极均接地，集电极连到电机绕组的4个抽头。电机的中心抽头均连接到电源电压的正端。每个晶体管的集电极均通过一个二极管连接到电压源，以保护晶体管不被旋转时电机绕组上的感应电流烧坏。转子旋转时，电机绕组上会出现一个感应电压，如果晶体管集电极没有通过二极管连接到电压源，感应电压造成的电流就会涌入晶体管的集电极。

举个例子，假设数字输出do1为高而do2为低，于是do1会使晶体管T1导通，电流从+V流经中心抽头和T1的基极，然后由T1的发射极输出。但此时do2处于断开状态，因此电流无法流经T2。这样推理下去，我们就能将表3改为驱动电机所需的微控制器数字输出的改变顺序。一旦清楚了驱动电机所需的硬件和数字输出的顺序，我们就可以对最顺手的微控制器或DSP编写软件，实现这些序列。固件控制 我本人在一块Microchip PIC16F877上，利用1N4003二极管和2SD1276A达灵顿晶体管实现了以上谈到的电机控制器。PIC的PortA第0位到第3位用来做数字输出。电机采用在Jameco购买的5V双相单极电机(Airpax [Thomson]生产，型号为M82101-P1)，并且用同一个5V电源为PIC和电机供电。但在真正应用时，为避免给微控制器的电源信号引入噪声，建议大家还是分别用不同的电源为电机和微控制器供电。

列表1给出了控制程序的汇编源代码，该程序每50毫秒旋转电机一次。首先，程序会将微控制器的数字输出初始化为表4中第一步的值，然后每隔50毫秒(此时间常数由程序中的常量waitTime定义)按照正确的顺序循环输出数字信号。若需使电机反向旋转，只需按与表4所示相反的顺序输出数字信号即可。本人所用的电机为24极电机，即每一步输出可以控制电机旋转180°/24=7.5°。电机每50毫秒旋转7.5°，也就是每2.4秒转一周。如果将常量waitTime减小一半，电机转速会加快一倍。但因为转子受惯性、摩擦力和其他机械限制，所以电机转速有一个上限，当定子磁场旋转过快时，转子的转速无法跟上，导致电机的旋转也无法跟上，开始跳动(skipping)。如果这时再降低欧姆aitTime，电机很可能干脆就停止旋转。除了本文重点讨论的双相电机以外，步进电机还有其他类型，如三相步进电机或四相步进电机。另外还有一些双相步进电机，它们只有一个中心抽头，同时连接到两个绕组的中心点，这类步进电机外部有5个抽头引出。同样，步进电机也不是电机家族中的唯一成员，最古老也最简单的电机是直流(DC)电机。早期的直流电机使用电刷，现在已经不再流行。如今常见的无刷直流电机，就是利用电子线路代替电刷进行换向的直流电机，这类电机中不存在电刷老化问题，因此其寿命比有刷直流电机长很多。还有一种感应电机，其工作原理与步进电机或直流电机完全不同。直流电机采用的是直流电压源，而感应电机则采用交流(AC)电压源，并且步进电机和直流电机中转子与定子磁场的旋转是同步的，而感应电机中转子的转速滞后于定子磁场的转速。

来源：电子发烧友网

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