一文解析步進(jìn)電機(jī)三種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)

眾所周知，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有整步，半步，細(xì)分驅(qū)動(dòng)。三者既有區(qū)別又有聯(lián)系，目前，市面上很多驅(qū)動(dòng)器支持細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式。

大家都知道步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的控制電機(jī)，常作為數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(這個(gè)角度叫做歩距角)。

正常運(yùn)動(dòng)情況下，它每轉(zhuǎn)一周具有固定的步數(shù);做連續(xù)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。本文小編將帶領(lǐng)大家詳細(xì)的了解步進(jìn)電機(jī)整步驅(qū)動(dòng)、半步驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式

如下圖是兩相步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部定子示意圖，為了使電機(jī)的轉(zhuǎn)子能夠連續(xù)、平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)，定子必須產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)、平均的磁場(chǎng)。因?yàn)閺暮暧^上看，電機(jī)轉(zhuǎn)子始終跟隨電機(jī)定子合成的磁場(chǎng)方向。如果定子合成的磁場(chǎng)變化太快，轉(zhuǎn)子跟隨不上，這時(shí)步進(jìn)電機(jī)就出現(xiàn)失步現(xiàn)象。

既然電機(jī)轉(zhuǎn)子是跟隨電機(jī)定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，而電機(jī)定子磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向是由定子合成電流決定且成正比。即只要控制電機(jī)的定子電流，則可以達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目的。下圖是兩相步進(jìn)電機(jī)的電流合成示意圖。其中Ia是由A-A`相產(chǎn)生，Ib是由B-B`相產(chǎn)生，它們兩個(gè)合成后產(chǎn)生的電流I就是電機(jī)定子的合成電流，它可以代表電機(jī)定子產(chǎn)生磁場(chǎng)的大小和方向。

基于以上步進(jìn)電機(jī)的背景描述，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的整步、半步、細(xì)分的三種驅(qū)動(dòng)方式，都會(huì)是同一種方法，只是電流把一個(gè)圓(360°)分割的粗細(xì)程度不同。

1、整步驅(qū)動(dòng)

對(duì)于整步驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)是走一個(gè)整步，如對(duì)于一個(gè)步進(jìn)角是3.6°的步進(jìn)電機(jī)，整步驅(qū)動(dòng)是每走一步是走3.6°。

下圖是整步驅(qū)動(dòng)方式中，電機(jī)定子的電流次序示意圖：

由上圖可知，整步驅(qū)動(dòng)每一時(shí)刻只有一個(gè)相通電，所以這種驅(qū)動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)電路可以是很簡(jiǎn)單，程序代碼也是相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，且由上圖可以得到電機(jī)整步驅(qū)動(dòng)相序如下：

BB’→A’A→B’B→AA’→BB’

下圖是這種驅(qū)動(dòng)方式的電流矢量分割圖：

可見，整步驅(qū)動(dòng)方式的電流矢量把一個(gè)圓平均分割成四份。

下圖是整步驅(qū)動(dòng)方式的A、B相的電流I vs T圖：

總結(jié)：

可以看出，整步驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)：描出的正弦波是粗糙的。使用這種方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，低速時(shí)電機(jī)會(huì)抖動(dòng)，噪聲會(huì)比較大。但是，這種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)論在硬件或軟件上都是相對(duì)簡(jiǎn)單，從而驅(qū)動(dòng)器制造成本容易得到控制。

2、半步驅(qū)動(dòng)

對(duì)于半步驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)是走一個(gè)半步，如對(duì)于一個(gè)步進(jìn)角是3.6°的步進(jìn)電機(jī)，半步驅(qū)動(dòng)是每走一步，是走1.8°(3.6°/2)。

下圖是半步驅(qū)動(dòng)方式中，電機(jī)定子的電流次序示意圖：

由上圖可見，半步驅(qū)動(dòng)方式的比整步驅(qū)動(dòng)方式相對(duì)復(fù)雜一些，在同一時(shí)刻，可能兩個(gè)相都需要被通電，如果要求電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩平穩(wěn)，則需要在兩相同時(shí)通電時(shí)，通電電流應(yīng)該為單相通電電流的sin(45°)，即√2/2。當(dāng)然，可以直接通以和單相通電流相等的電流，結(jié)果是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的力矩不恒定，但它帶來(lái)的好處是驅(qū)動(dòng)電路或軟件編寫的簡(jiǎn)化。

以下是這種的驅(qū)動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)相序：

BB’→BB’ A’A→A’A→B’B A’A→ B’B→B’B AA’→AA’→ AA’ BB’

如果需要反轉(zhuǎn)，只需按以上相序的逆向進(jìn)行通電即可。

當(dāng)按以上相序?qū)﹄姍C(jī)通電，產(chǎn)生的電流矢量則可以把一個(gè)圓分割成8份，如下圖所示：

半步驅(qū)動(dòng)一方面使電機(jī)的步進(jìn)分辨率提高了一倍，且電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)更為平穩(wěn)。

對(duì)比地，半步驅(qū)動(dòng)方式的兩相電流圖如下圖所示：

總結(jié)：

由上圖看出，半步驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)：描出的正弦波較之整步驅(qū)動(dòng)方式，有了改觀，提高了精度。這樣的好處是在無(wú)需更改電機(jī)的情況下，電機(jī)的步進(jìn)角分辨率提高了一倍，且電機(jī)運(yùn)行相對(duì)安靜一些。

3、細(xì)分驅(qū)動(dòng)

如下圖，可以看出某種規(guī)律：

看上圖，電流矢量分割圓越來(lái)越稠密，如上圖的c。這是4細(xì)分驅(qū)動(dòng)的分割圖，從宏觀上可想象，電機(jī)轉(zhuǎn)子走一步的角度將會(huì)隨著細(xì)分?jǐn)?shù)的增加而減小，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)也越來(lái)越平穩(wěn)、安靜。從某種意義上，整步和半步驅(qū)動(dòng)也是細(xì)分驅(qū)動(dòng)的一樣，它們的關(guān)系就如正方形和長(zhǎng)方形的關(guān)系。

上圖是4細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式的兩相電流圖，由圖看出，這時(shí)每相電流的曲線較半步驅(qū)動(dòng)時(shí)的電流曲線更加細(xì)膩。

電流細(xì)分是細(xì)分驅(qū)動(dòng)的其中一種方法，恒流的實(shí)現(xiàn)常用斬波驅(qū)動(dòng)，給定的電流是以正弦波分布。另一種為電壓細(xì)分，這種方法是比正弦波的電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)的線圈，可以不需要反饋地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)，但是由于電機(jī)的反電勢(shì)等的作用，正弦波電壓驅(qū)動(dòng)并不能產(chǎn)生正弦波的電流，效果沒(méi)有電流細(xì)分好，但是它的驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡(jiǎn)單。

總結(jié)：

細(xì)分可以提高電機(jī)的步進(jìn)角分辨率，但是，這并不是細(xì)分驅(qū)動(dòng)的初衷，而是為了減緩步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的震動(dòng)和噪聲，使電機(jī)的力矩輸出更平穩(wěn)。這有點(diǎn)像數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)變焦和數(shù)字變焦的關(guān)系，提高步進(jìn)系統(tǒng)分辨率最好依靠電機(jī)本身和機(jī)械結(jié)構(gòu)。

在工程應(yīng)用中，電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)可能不同，在低速時(shí)，可增大細(xì)分?jǐn)?shù)，當(dāng)速度增加時(shí)，減少細(xì)分?jǐn)?shù)。