步进电机基本原理及驱动方式详解

步进电机相关概念
- 基本原理
- 类型和结构
- - 转子结构
  - 定子结构
- 励磁方式
- ATD9800 驱动使用实例
参考文献

步进电机相关概念

步进电机是一种常用于控制和定位应用的电动机，其独特的工作方式使其在许多领域中都具有广泛的应用。步进电机以其 精确的位置控制 而闻名，无论是在3D打印机、机器人、数控机床还是打印设备中，步进电机都扮演着重要的角色。

在本文中，我们将深入研究步进电机的原理，从基本的构造到工作方式，逐步揭示其背后的技术奥秘。无论您是电机领域的专业人士，还是对此感兴趣的初学者，本文都将为您提供全面而深入的了解。现在让我们开始探索步进电机的工作原理，并揭示它在现代工程中的重要性。

Stepper motors use electromagnetic coils

一种3D打印机中使用的步进电机

基本原理

与所有电动机一样，步进电动机也有一个 静止部分（定子） 和一个 运动部分（转子） 。定子上有齿，上面有线圈，而转子是永磁体或可变磁阻铁芯。下图显示了电机截面图，其中转子是可变磁阻铁芯。

步进电机横截面

步进电机的基本工作原理如下： 通过给定子的一个或多个相通电，线圈中流动的电流产生磁场，转子与该磁场对齐实现电能到动能的转化 。 通过依次提供不同的相位，转子可以旋转特定的量以到达所需的最终位置 。下图展示了工作原理：

线圈 A 通电，转子与其产生的磁场对齐。
线圈 B 通电，转子顺时针旋转60° 以与新磁场对齐。
线圈 C 通电，转子再顺时针旋转60° 以与新磁场对齐。

步进电机步数

步进电机原理（图中定子齿的颜色表示定子绕组产生的磁场方向）

上面的步骤可以更形象的通过一个动图来显示，随着定子不同相电流变化，转子按照固定间隔角度进行转动：

StepperMotor

类型和结构

转子结构

对于步进电机，基本上有三种类型的转子：

永磁转子 ： 转子是一块永磁体，与定子电路产生的磁场对齐 。该解决方案保证了良好的扭矩以及制动扭矩。这意味着无论线圈是否通电，电机都会抵抗（即使不是非常强烈）位置变化。该解决方案的缺点是与其他类型相比，它的速度和分辨率较低。

步进电机_PM

永磁式步进电机

可变磁阻转子 ： 转子由非磁化铁芯制成，具有与定子偏移的齿 ，当我们以特定顺序激活绕组时，转子分别移动，从而使定子和转子齿之间的间隙最小。使用此解决方案可以更轻松地达到更高的速度和分辨率，但它产生的扭矩通常较低并且没有制动力矩。

步进电机变量 Reluctant01

可变磁阻步进电机

混合转子 ：这种转子是前两种步进电机的组合。它具有 永磁体带齿转子和带齿定子 。 转子两部分极性相反，它们的齿如图所示偏移 。这种配置允许电机同时具有永磁体和可变磁阻版本的优点，特别是高分辨率、速度和扭矩。这种更高的性能需要更复杂的结构，因此成本更高。
下图显示了该电机结构的简化示例，我们可以看到，现在转子的齿与 A 极的齿对齐，而与 B 极的齿不对齐。这意味着在下一步中，当我们关闭 A 极并激活 B 极时，转子将逆时针转动，其齿与 B 极的齿对齐。

混合转子结构

定子结构

定子是电机的一部分，负责产生转子要对齐的磁场。定子电路的主要特性包括其相数和极对数，以及导线配置。 相数是独立线圈的个数 ， 极对数表示各相主齿对的占用情况 。两相步进电机是最常用的，而三相和五相电机不太常见。

二相定子绕组（左）、三相定子绕组（右）

二相定子绕组（左）、三相定子绕组（右）

两相单极对定子（左），两相双极对定子（右）。字母表示在A+和A-之间施加正电压时产生的磁场

两相单极对定子（左），两相双极对定子（右）

励磁方式

步进电机的励磁方式分为以下几种：

一相励磁 ：这种方式是指 在每一瞬间，步进电机只有一个线圈导通 ，消耗电力小，但在切换瞬间没有任何的电磁作用转子上，容易造成振动，也容易因为惯性而失步。这种方式的步距角是电机固有的结构决定的，例如二相四拍电机的步距角是1.8度。

两相励磁 ：这种方式是指 在每一瞬间，步进电机有两个线圈同时导通 ，输出的转矩较大，振动较小，也比一相励磁较为平稳，不易失步。这种方式的步距角也是电机固有的结构决定的，例如二相四拍电机的步距角是1.8度。

1-2相励磁 ：这种方式是指 一相励磁和二相励磁交替进行 的方式，在第一相和第二相之间插入一个一二相同时通电的相。这种方式的优点是分辨率高，运转更加平滑。唯一的缺点是电机产生的力矩不是恒定的，两相通电时力矩大，单相通电时力矩小。这种方式的步距角是原来基本步距角的一半，例如二相四拍电机的步距角是0.9度。

微步驱动 ：可以看作是半步模式的进一步增强，因为它允许 进一步减小步长并具有恒定的扭矩输出 。这是 通过控制流过每一相的电流强度来实现 。与之前的解决方案相比，使用此模式需要更复杂的电机驱动器。下图显示了微步的工作原理：
如果 $I_{MAX}$ 是单相流过的最大电流：
1. 在下面第一个图， $I_A = I_{MAX}$ 和 $I_B=0$ 。
2. 在下面第二个图，控制电流以实现 $I_A = 0.92 \times I_{MAX}$ 和 $I_B = 0.38 \times I_{MAX}$ ，它产生的磁场与前一个相比顺时针旋转了 $22.5°$ 。
3. 在三四五图中使用不同的电流值重复此步骤，分别达到 $45°$ 、 $67.5°$ 和 $90°$ 位置。
与半步模式相比，这种方式将步长又减少一半。虽然使用微步进有助于达到非常高的位置分辨率，但这种优势是以更复杂的设备来控制电机为代价的，并且每一步产生的扭矩更小。事实上，扭矩与定子磁场和转子磁场之间夹角的正弦成正比；因此， 步数越小，力矩越小 。这可能会导致丢步：即即使定子绕组中的电流发生变化，转子位置也不会改变。

在实际使用步进电机驱动器驱动中，我们常用 细分分数 来控制微步驱动的大小。步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。细分是步进电机驱动器 将上级装置发出的每个脉冲按步进电机驱动器设定的细分系数分成系数个脉冲输出 。 细分后电机运行时的实际步距角是基本步距角的几分之一 。

步进电机的细分驱动中 W1-2相, 2W1-2相, 4W1-2相都是指步进电机相的励磁方式(excitation mode)，换一句话来概括就是细分驱动该怎么实现。通常步进电机细分有2，4，8，16，32，62，128，256，512等。

因此可以简单地将不同励磁方式与行程之间的关系表述为：

1相驱动 = 4细分 ＝ 2相驱动 = 4小步/励磁周期。 整步=4微步
1-2相 = 8细分 ＝ 8小步/励磁周期。 整步=8微步
W1-2相 ＝ 16细分 = 16小步/励磁周期。 整步=16微步
2W1-2相 = 32细分 = 32小步/励磁周期。 整步=32微步
………………
32W1-2相 = 512细分 = 512小步/励磁周期。 整步=512微步

举个例子，在一种常用的混合式步进电机中转子有50个齿，若采用 1相驱动 / 2相驱动 ，步进电机每转一圈为4*50=200个脉冲（微步），因此每微步为1.8°，这是该步进电机的最小移动单位：

两相四线步进电机的结构与原理（原版）

若采用微步驱动，则：

16细分（W1-2）对应半步，16*50=800个脉冲一圈，单步0.45°
而128细分（8W1-2），意味着步进电机需要输出128*50=6400个脉冲步进电机才转一圈，单步0.05625°

ATD9800 驱动使用实例

在 ATD9800 驱动IC中，寄存器设置值和步数的关系如下：

从表格中可以理解： 64/128/256细分只是驱动器实际输出波形时的分辨率，用户控制能达到的分辨率只有32细分。 超过32细分只是 平滑 ，不是 微步 ，并不能实际走到该步数！ 最多只能控制到1/32整步，剩下的只是将每一微步的运动变平滑。

因此，所有细分可以直接以32细分的波形来理解。

32细分 = 2W1-2相 = 32小步/励磁周期 ==》设置值32 = 1个正弦波 = 1整步 = 32脉冲 = 32微步：

64细分 = 2W1-2相（2步平滑） ==》设置值64 = 1个正弦波 = 1整步 = 64脉冲 = 32微步：（即 1个脉冲走2/64微步 ）

同理， 这里的256细分即1个脉冲走8/256微步 ，这也就是表格里步进值的由来。

所以，我们如果需要将原先W1-2相驱动的步数转换为ATD9800驱动芯片的寄存器写值，可以这么做：

#define  PHASE_1_2_SINGLE_PULSE_STEP     8         // 1-2相单脉冲步数（1个正弦周期=8微步）
#define  PHASE_W1_2_SINGLE_PULSE_STEP    16        // W1-2相单脉冲步数（1个正弦周期=16微步）
#define  SINGLE_PULSE_REG_NUM            32        // 单周期对应的寄存器值（默认32细分，1个正弦周期=32微步）

#define  FOCUS_DRIVE_PLUS   (SINGLE_PULSE_REG_NUM / PHASE_W1_2_SINGLE_PULSE_STEP)        // FOCUS单步寄存器写值，写2=W1-2相一步
#define  ZOOM_DRIVE_PLUS    (SINGLE_PULSE_REG_NUM / PHASE_1_2_SINGLE_PULSE_STEP)       // ZOOM单步寄存器写值，写4=1-2相一步

// real_focus_step = W1_2_step * FOCUS_DRIVE_PLUS;
// real_zoom_step = _1_2_step * ZOOM_DRIVE_PLUS;