今日知识分享步进电动机工作原理及特点

步进电机（stepper motor）是一种是将电脉电流信号转变为角位移或线位移的控制元件。简单的说，你给步进电机一个脉冲电流信号，它就会转动一个角度，所以具有定位精度高的特点。

普通的直流或交流电机只要施加合适的电压就能够使其转动，断电即可使其停止转动，控制起来虽然很方便，但有些时候，我们需要很精确地控制转动的角度，以便实现一些高精度的定位操作。例如DVD播放器或硬盘控制读盘时，打印机控制打字位置时，监控器控制转向时，数控机床进行定位时，机器人控制动作时等等，普通的电机很难满足这种需求，而步机电机就可以。从名称也可以看出，步进电机就是“按步前进”的电机，一次只会旋转一个固定的角度，每旋转一次可称为1拍，而每拍旋转的角度可称为步距角。

为了进一步理解步进电机的硬件驱动电路设计，我们先来了解一下它的基本结构。最简单的步进电机如下图所示

可以看到，步进电机与所有电机一样分为定子（stator）与转子（rotor），在定子周围均匀分布的齿槽上缠绕的那些线圈（coil），我们可以称为绕组或相，这些绕组按对进行排列，其中绕组A与A’形成一对，绕组B与B’形成一对。而转子则是一块能够绕中心任意旋转的永磁铁，它有N与S两极。由于定子上存在两个绕组，而转子上存在两个磁极，所以我们也可以称其为双相双极电机。绕组注入一定电流时就会产生一定的磁场，它也有N与S两极，从不同绕组注入电流就可以改变磁场的极性，从而能够对永磁铁转子产生不同方向的吸力，这是转子旋转的基本原理。

下面我们具体来看看转子是怎么旋转的。假设电流从绕组A注入再从绕组A’流出，则两个绕组都会产生一定的磁场。根据右手定则，线圈A与线圈A’产生的磁场方向均为上N下S，再根据“同名相斥、异名相吸”的基本原理，永磁铁的N极会被绕组A产生的磁场S极吸过来，与此同时，永磁铁的S极会被绕组A’产生的磁场N极吸过来，它们的吸力是同时产生的，也就引起转子顺时针旋转90o，如下图所示（以转子中红色N极为参考基准）

至此，我们对电机绕组完成一个周期的电激励，电机转子也旋转了一整圈。用来激励的脉冲越多，电机转动的角度就越大，脉冲的频率越高，电机的转速也就越快，但不能超过最高频率，否则电机的力矩迅速减小，电机将不会旋转。

我们可以使用时序图来表示前述整个驱动过程，如下图所示。

图中的驱动（Driver）模块用来提升驱动能力，因为一般处理器的IO引脚的电流不足以直接驱动电机旋转，后续会再详细讨论。

我们把按上述顺序驱动电机旋转的励磁方式称为全步模式（full-stepping），在英文数据手册中可能会标记为“1-1phase”。此种激励方式中每次电流只对一个绕组进行激励，它的好处就是消耗的电流比较低。

当然，想让步进电机旋转的励磁方式还有很多，例如我们也可以每次同时对两个绕组进行激励，激励顺序依次为A与B、B与A’、A’与B’、B’与A、A与B……具体情况如下图所示。

这种励磁方式也是全步驱动，英文数据手册中可能会标记为“2-2phase”。由于两个绕组同时通电，所以相对之前的励磁方式可以获得更好的扭矩和速度，只是要多消耗一些电流。使用时序图可表示如下

另外一种比较复杂的微步驱动方式（microstepping），它的时序波形如下图所示：

可以看到，两个绕组被两个相隔90o的正弦波激励（总体波形与“2-2-phase”相同，只不过激励电流不是矩形波），只要控制流过绕组的方向和幅度，就可以增加电机在一次完整旋转时所需要的步数，这种方式具有良好的扭矩和平衡的操作，大家现在了解一下即可，后续再详细讨论。

当然，我们目前讨论的电机可以说最简单的，再来看一个双相六极电机，如下图所示。

与双相双极电机唯一不同的是，转子包含了3个永磁铁，拥有6个磁极，我们同样看一下它的驱动方式，如下图所示（以转子上的红色N极为参考基准）：

当然，步进电机根据力矩产生的原理可以分为三种类型，其一为永磁步进电机（PermanentMagnet，PM），也称为永磁或激磁式步进电机，它的永磁转子会根据施加的脉冲被排斥或吸引到定子，我们前面讨论的就是这种，它具有动态性能好，输出力矩大的特点；

其二为可变磁阻步进电机（Variable Reluctant， VR），也称为反应式步进电机，它的转子由软磁材料组成，被定子磁极吸引后通过定子和转子之间的最小磁阻提供运动，它的结构简单，成本低，但是动态性能差、效率低、发热量也大。

其三为混合同步步进电机（Hybrid synchronous， HB）：它是可变磁阻和永磁步进电机的组合。

我们来看看三相可变磁阻步进电机的基本结构，如下图所示：

可以看到，可变磁阻步进电机与永磁步进电机的结构差不多，主要区别在于转子不再是永磁铁，而是由软磁材料（如硅钢片）制造的，转子周围均匀分布了一些齿子，这里特别需要注意：转子齿与定子齿之间的对应关系，当转子的一对齿子与一对定子齿对齐时，转子的另一对齿子恰好指向定子齿的间隙处，也就是我们所说的错齿，它是步进电机旋转的原因。

我们具体来看看它的驱动原理，如下图所示。

至此，转子旋转了90o。然后紧接着再依次从绕组A’、B’、C’、A、B、C….注入电流即可使转子持续旋转，我们把依次激励绕组A、B、C、A’、B’、C’、A、B、C…的方式称为三相单三拍驱动方式。与永磁式步进电机相似，也可以每次同时将电流注入两个绕组，即绕组激励次序为AB、BC、CA’、A’B’、B’C’、C’A、AB…..，这种励磁方式称为三相双三拍驱动方式。还可以混合三相单三拍与三相双三拍方式进行驱动（步距角为15o），也称为三相六拍驱动方式，我们就不再赘述了，你懂的。

再来看一下四相步进电机的结构，如下图所示：

很明显，转子的齿数越多，步距角就越小，相应的定子上也会细分更多均匀分布的小齿。转子齿数为40的三相步进电机如下图所示

相应的定子与转子展开图如下所示：