步進(jìn)電機驅動(dòng)IC基礎知識:類(lèi)型、用途和工作原理

在本文中，我們將介紹步進(jìn)電機的基礎知識。您將了解步進(jìn)電機的工作原理，結構，控制方法，用途和類(lèi)型，以及其優(yōu)缺點(diǎn)。

步進(jìn)電機基礎知識步進(jìn)電機是一種電動(dòng)機，其主要特征是其軸通過(guò)執行步進(jìn)（即通過(guò)移動(dòng)固定的度數）來(lái)旋轉。由于電機的內部結構，可以獲得此功能，并且只需計算步驟的操作即可知道軸的確切角度位置，而無(wú)需傳感器。此功能還使其適用于廣泛的應用。 步進(jìn)電機工作原理 與所有電動(dòng)機一樣，步進(jìn)電動(dòng)機具有固定部件（定子）和移動(dòng)部件（轉子）。在定子上，有連接線(xiàn)圈的齒，而轉子要么是永磁體，要么是可變磁阻鐵芯。稍后我們將深入研究不同的轉子結構。圖1顯示了表示電機截面的圖紙，其中轉子是可變磁阻鐵芯。

圖1：步進(jìn)電機的橫截面

步進(jìn)電機的基本工作原理如下：通過(guò)為一個(gè)或多個(gè)定子相供電，線(xiàn)圈中的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉子與該磁場(chǎng)對齊。通過(guò)按順序提供不同的相位，轉子可以旋轉特定量以達到所需的最終位置。圖 2 顯示了工作原理的表示形式。開(kāi)始時(shí)，線(xiàn)圈A通電，轉子與其產(chǎn)生的磁場(chǎng)對齊。當線(xiàn)圈B通電時(shí)，轉子順時(shí)針旋轉60°以與新磁場(chǎng)對齊。當線(xiàn)圈C通電時(shí)，也會(huì )發(fā)生同樣的情況。在圖片中，定子齒的顏色表示定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向。

圖2：步進(jìn)電機步進(jìn)

步進(jìn)電機類(lèi)型和結構 步進(jìn)電機的性能 - 無(wú)論是在分辨率（或步長(cháng)），速度和扭矩方面 - 都受到結構細節的影響，同時(shí)也可能影響電機的控制方式。事實(shí)上，并非所有步進(jìn)電機都具有相同的內部結構（或結構），因為有不同的轉子和定子配置。
轉子

對于步進(jìn)電機，基本上有三種類(lèi)型的轉子：

• 永磁轉子：轉子是與定子電路產(chǎn)生的磁場(chǎng)對齊的永磁體。該解決方案保證了良好的扭矩和制動(dòng)扭矩。這意味著(zhù)無(wú)論線(xiàn)圈是否通電，電機都會(huì )抵抗位置的變化，即使不是很強。與其他類(lèi)型相比，此解決方案的缺點(diǎn)是速度較低，分辨率較低。圖3顯示了永磁步進(jìn)電機的一部分。

圖3：永磁步進(jìn)電機

• 可變磁阻轉子：轉子由鐵芯制成，并具有特定的形狀，使其能夠與磁場(chǎng)對齊（參見(jiàn)圖1和圖2）。使用這種解決方案，更容易達到更高的速度和分辨率，但它產(chǎn)生的扭矩通常較低，并且沒(méi)有制動(dòng)扭矩。
• 混合轉子：這種轉子具有特定的結構，是永磁體和可變磁阻版本的混合體。轉子有兩個(gè)帶交替齒的蓋子，并軸向磁化。這種配置使電機具有永磁體和可變磁阻版本的優(yōu)點(diǎn)，特別是高分辨率，速度和扭矩。這種更高的性能需要更復雜的結構，因此成本更高。圖3顯示了該電機結構的簡(jiǎn)化示例。當線(xiàn)圈A通電時(shí)，N磁化帽的齒與定子的S磁化齒對齊。同時(shí)，由于轉子結構，S磁化齒與定子的N磁化齒對齊。真正的電機具有更復雜的結構，齒數比圖中所示的要多，盡管步進(jìn)電機的工作原理相同。高齒數使電機能夠實(shí)現小步長(cháng)，低至0.9°。

圖4：混合式步進(jìn)電機

定子

定子是電機的一部分，負責產(chǎn)生轉子將要對齊的磁場(chǎng)。定子電路的主要特性包括其相數和極對，以及導線(xiàn)配置。相數是獨立線(xiàn)圈的數量，而極對的數量表示每個(gè)相位如何占據主齒對。兩相步進(jìn)電機是最常用的，而三相和五相電機則不太常見(jiàn)（見(jiàn)圖5和圖6）。

圖5：兩相定子繞組(左)，三相定子繞組(右)

圖 6：兩相單極對定子(左)和兩相偶極子對定子(右)。字母顯示A +和A-之間施加正電壓時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

步進(jìn)電機控制 我們之前已經(jīng)看到，電機線(xiàn)圈需要以特定的順序通電，以產(chǎn)生轉子將要對齊的磁場(chǎng)。使用幾種設備為線(xiàn)圈提供必要的電壓，從而使電機正常工作。從更靠近電機的設備開(kāi)始，我們擁有：

晶體管電橋是物理控制電機線(xiàn)圈電氣連接的器件。晶體管可以看作是電控滅弧室，當關(guān)閉時(shí)，它允許線(xiàn)圈連接到電源，從而允許線(xiàn)圈中的電流流動(dòng)。每個(gè)電機相位需要一個(gè)晶體管電橋。
預驅動(dòng)IC是一種控制晶體管激活的器件，提供所需的電壓和電流，而后者又由MCU控制。
MCU是一種微控制器單元，通常由電機用戶(hù)編程，并為預驅動(dòng)IC生成特定信號，以獲得所需的電機行為。

圖7顯示了步進(jìn)電機控制方案的簡(jiǎn)單表示。預驅動(dòng)IC和晶體管電橋可以包含在單個(gè)器件中，稱(chēng)為驅動(dòng)IC。

圖7：電機控制基本方案

步進(jìn)電機驅動(dòng)器類(lèi)型

市場(chǎng)上有不同的步進(jìn)電機驅動(dòng)IC，它們展示了特定應用的不同功能。最重要的特征包括輸入接口。最常見(jiàn)的選項是：

1. 步進(jìn)/方向 – 通過(guò)在步進(jìn)引腳上發(fā)送脈沖，驅動(dòng)IC改變其輸出，以便電機將執行步進(jìn)，其方向由方向引腳上的電平確定。
2. 相位/使能 – F或每個(gè)定子繞組相位，相位確定電流方向，如果相位通電，則觸發(fā)使能。
3. PWM – 直接控制低端和高側FET的柵極信號。

 步進(jìn)電機驅動(dòng)IC的另一個(gè)重要特征是，它是否只能控制繞組兩端的電壓，或者同時(shí)控制流經(jīng)繞組的電流：

1. 通過(guò)電壓控制，驅動(dòng)IC僅調節繞組兩端的電壓。產(chǎn)生的扭矩和執行步驟的速度僅取決于電機和負載特性。
2. 電流控制驅動(dòng)IC更先進(jìn)，因為它們調節流經(jīng)有源線(xiàn)圈的電流，以便更好地控制產(chǎn)生的扭矩，從而控制整個(gè)系統的動(dòng)態(tài)行為。

單極/雙極電機

電機的另一個(gè)影響控制的特征是定子線(xiàn)圈的排列，這些線(xiàn)圈決定了電流方向是如何變化的。為了實(shí)現轉子的運動(dòng)，不僅需要為線(xiàn)圈通電，還需要控制電流的方向，這決定了線(xiàn)圈本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向（見(jiàn)圖8）。 在步進(jìn)電機中，控制電流方向的問(wèn)題通過(guò)兩種不同的方法解決。

圖8：基于線(xiàn)圈電流方向的磁場(chǎng)方向

在單極步進(jìn)電機中，其中一根引線(xiàn)連接到線(xiàn)圈的中心點(diǎn)（見(jiàn)圖9）。這允許使用相對簡(jiǎn)單的電路和元件來(lái)控制電流的方向。中央引線(xiàn)（AM)連接到輸入電壓V在 （請參閱圖 8）。如果 MOSFET 1 處于活動(dòng)狀態(tài)，則電流從 A 流出M到 A+。如果 MOSFET 2處于活動(dòng)狀態(tài)，則電流從 A 流出M到A-，在相反的方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)。如上所述，這種方法允許更簡(jiǎn)單的驅動(dòng)電路（只需要兩個(gè)半導體），但缺點(diǎn)是一次只使用電機中使用的銅的一半，這意味著(zhù)對于在線(xiàn)圈中流動(dòng)的相同電流，如果使用所有銅，磁場(chǎng)的強度是原來(lái)的一半。此外，這些電機更難構建，因為必須提供更多的引線(xiàn)作為電機輸入。

圖9：?jiǎn)螛O步進(jìn)電機驅動(dòng)電路

在雙極步進(jìn)電機中，每個(gè)線(xiàn)圈只有兩根引線(xiàn)可用，為了控制方向，必須使用H橋（見(jiàn)圖10）。如圖8所示，如果MOSFET 1和4有源，則電流從A+流向A-，而如果MOSFET 2和3有源，電流從A-流向A+，產(chǎn)生相反方向的磁場(chǎng)。該解決方案需要更復雜的驅動(dòng)電路，但允許電機達到所用銅量的最大扭矩。

圖10：雙極步進(jìn)電機驅動(dòng)電路

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