详解步进电机工作原理_主要类型_控制模式

进入电气化时代，步进电机（脉冲电动机）在日常生活中几乎无处不在，其应用非常的广泛，像是监控摄像头、3D打印机、机器人、激光切割机等都有用到步进电机。

与所有电动机一样，步进电机也包括定子和转子，但与普通直流电机不同的是，步进电机的定子由单独的线圈组组成，线圈的数量会根据步进电机的类型而有所不同。不过这里只需了解，在步进电机中转子由金属极组成，每个金属极将被定子中的一组线圈吸引。

例如，在下图中，是由8个定子和6个转子组成的步进电机。

仔细观察上图中定子上的线圈，它们是按线圈对排列的，比如A和A'形成一对，B和B'形成一对等。因此，每个线圈对形成一个电磁铁，它们可以通过驱动电路单独通电。当线圈通电时，它充当磁铁，转子磁极与之对齐，当转子旋转以调整自身与定子对齐时，称为一步。同样，通过按顺序给线圈通电，可以小步旋转电机，最终使其完全旋转。

主要类型

按照结构的不同，步进电机可以分为以下几种类型：

• 可变磁阻步进电机：  铁芯转子被吸引到定子磁极，并通过定子和转子之间的最小磁阻提供运动。
• 永磁步进电机：  具有永磁转子，根据施加的脉冲排斥或吸引定子。
• 混合式步进电机：  它们是可变磁阻和永磁步进电机的组合。

除此之外，还可以根据定子绕组的类型将步进电机分为单极步进电机和双极步进电机。

• 双极步进电机： 定子线圈没有共用线，驱动方式不同且复杂，在没有微控制器的情况下，驱动电路设计复杂
• 单极步进电机：  可以将两个相绕组的中心抽头用于公共接地或公共电源，这使得驱动电机变得容易，而且单极步进电机也有多种类型，如下图所示：

控制方法

由于步进模式的定子由不同的线圈对构成，每个线圈对可以以多种不同的方法进行激励，这使得模式能够以多种不同的模式进行驱动。以下是大致的几种操作控制模式。

1、全步模式

在全步励磁模式下，可以以最少的圈数（步数）实现完整360°旋转。但这会导致惯性较小，并且旋转也不会平滑。全步励磁还有两种分类，单相位上波步进和两相位上波步进。

单相位上波步进：在这种模式下，在任何给定时间只有电机的一个端子（相）会通电。这具有较少的步骤数，因此可以实现完整的360°旋转。由于步骤数较少，因此该方法消耗的电流也非常低，以下是波形步进序列：

两相上波步进：顾名思义，此方法中两相合一。它具有与波步进相同的步数，由于一次通电两个线圈，因此与上面的方法相比，它可以提供更好的扭矩和速度。但缺点是消耗更多的电力。

半步进模式是单相接通和两相接通模式的组合，这种组合可以克服上述两种模式的缺点。由于结合了这两种方法，所以必须在这个方法中执行8个步骤才能得到完整的旋转，其波形步进序列如下所示：

3、微步模式

微步进模式是最复杂的，但它提供了非常好的精度以及良好的扭矩和平稳的操作。在这种方法中，线圈将被两个相隔90°的正弦波激励。通过这种方式可以控制流过线圈的电流的方向和幅度，这有助于增加电机旋转一圈所需的步数。微步可高达256步完成一个完整的旋转，从而使电机转动更快更平稳。

28-BYJ48步进电机

28-BYJ48是一款比较常用的步进电机，它有五种颜色电线，如下图所示：

接下来卡看其内部结构，如下图所示：

如上图所示，28-BYJ48电机具有单极5引线线圈布置，其中的四个线圈必须按特定顺序通电。红线将提供+5V电压，其余四根线将接地以触发相应的线圈。可以使用任何微控制器以特定顺序为这些线圈通电，并使电机执行所需的步数。当然，也可以使用其它序列，通常使用4步，为了更精确的控制，也可以使用8步控制。4步控制的时序表如下所示：

在上图中，需要注意的一个重要参数是步幅角（Stride Ange）l：5.625°/64。 这意味着电机以8步顺序运行时，每步将移动5.625度，需要64 步（5.625°*64=360°）才能完成一圈。

步数计算

了解如何计算步进电机每转的步数很重要，因为只有这样才能有效地编程/驱动它。

这里假设将以4步序列运行电机，因此步幅角将为11.25°，因为8步序列为5.625°（上图数据表中给出），所以它将为11.25°（5.625°*2=11.25°）。

每转步数 = 360°/步幅角，在这里是360°/11.25°=32步/转。

驱动器模块

大多数情况下，步进电机只能在驱动模块的帮助下运行，这是因为控制器模块（微控制器/数字电路）将无法从其I/O引脚提供足够的电流以供电机运行，所以需要使用像ULN2003模块这样的外部模块作为步进电机驱动器。

驱动器模块有多种类型，其中一种的额定值会根据所使用的电机类型而变化。所有驱动器模块的主要原则是提供/吸收足够的电流以使电机运行。除此之外，还有一些驱动模块已经预编程了逻辑。

优缺点

• 步进电机优点；一个主要优点是它具有良好的位置控制，因此可以用于精确控制应用。此外，它具有非常好的保持扭矩，这使它成为机器人应用的理想选择。与此同时，步进电机也被认为具有比普通直流或伺服电机更长的寿命。
• 步进电机的缺点；与所有电机一样，步进电机也有其自身的缺点，因为它通过小步进来旋转，所以无法实现高速。此外，即使在理想情况下，它也会消耗用于保持扭矩的功率，从而增加功率消耗。

总结