步进电机驱动IC基础知识:类型、用途和工作原理

在本文中，我们将介绍步进电机的基础知识。您将了解步进电机的工作原理，结构，控制方法，用途和类型，以及其优缺点。

步进电机基础知识步进电机是一种电动机，其主要特征是其轴通过执行步进（即通过移动固定的度数）来旋转。由于电机的内部结构，可以获得此功能，并且只需计算步骤的操作即可知道轴的确切角度位置，而无需传感器。此功能还使其适用于广泛的应用。 步进电机工作原理 与所有电动机一样，步进电动机具有固定部件（定子）和移动部件（转子）。在定子上，有连接线圈的齿，而转子要么是永磁体，要么是可变磁阻铁芯。稍后我们将深入研究不同的转子结构。图1显示了表示电机截面的图纸，其中转子是可变磁阻铁芯。

图1：步进电机的横截面

步进电机的基本工作原理如下：通过为一个或多个定子相供电，线圈中的电流产生磁场，转子与该磁场对齐。通过按顺序提供不同的相位，转子可以旋转特定量以达到所需的最终位置。图 2 显示了工作原理的表示形式。开始时，线圈A通电，转子与其产生的磁场对齐。当线圈B通电时，转子顺时针旋转60°以与新磁场对齐。当线圈C通电时，也会发生同样的情况。在图片中，定子齿的颜色表示定子绕组产生的磁场的方向。

图2：步进电机步进

步进电机类型和结构 步进电机的性能 - 无论是在分辨率（或步长），速度和扭矩方面 - 都受到结构细节的影响，同时也可能影响电机的控制方式。事实上，并非所有步进电机都具有相同的内部结构（或结构），因为有不同的转子和定子配置。
转子

对于步进电机，基本上有三种类型的转子：

• 永磁转子：转子是与定子电路产生的磁场对齐的永磁体。该解决方案保证了良好的扭矩和制动扭矩。这意味着无论线圈是否通电，电机都会抵抗位置的变化，即使不是很强。与其他类型相比，此解决方案的缺点是速度较低，分辨率较低。图3显示了永磁步进电机的一部分。

图3：永磁步进电机

• 可变磁阻转子：转子由铁芯制成，并具有特定的形状，使其能够与磁场对齐（参见图1和图2）。使用这种解决方案，更容易达到更高的速度和分辨率，但它产生的扭矩通常较低，并且没有制动扭矩。
• 混合转子：这种转子具有特定的结构，是永磁体和可变磁阻版本的混合体。转子有两个带交替齿的盖子，并轴向磁化。这种配置使电机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。图3显示了该电机结构的简化示例。当线圈A通电时，N磁化帽的齿与定子的S磁化齿对齐。同时，由于转子结构，S磁化齿与定子的N磁化齿对齐。真正的电机具有更复杂的结构，齿数比图中所示的要多，尽管步进电机的工作原理相同。高齿数使电机能够实现小步长，低至0.9°。

图4：混合式步进电机

定子

定子是电机的一部分，负责产生转子将要对齐的磁场。定子电路的主要特性包括其相数和极对，以及导线配置。相数是独立线圈的数量，而极对的数量表示每个相位如何占据主齿对。两相步进电机是最常用的，而三相和五相电机则不太常见（见图5和图6）。

图5：两相定子绕组(左)，三相定子绕组(右)

图 6：两相单极对定子(左)和两相偶极子对定子(右)。字母显示A +和A-之间施加正电压时产生的磁场。

步进电机控制 我们之前已经看到，电机线圈需要以特定的顺序通电，以产生转子将要对齐的磁场。使用几种设备为线圈提供必要的电压，从而使电机正常工作。从更靠近电机的设备开始，我们拥有：

晶体管电桥是物理控制电机线圈电气连接的器件。晶体管可以看作是电控灭弧室，当关闭时，它允许线圈连接到电源，从而允许线圈中的电流流动。每个电机相位需要一个晶体管电桥。
预驱动IC是一种控制晶体管激活的器件，提供所需的电压和电流，而后者又由MCU控制。
MCU是一种微控制器单元，通常由电机用户编程，并为预驱动IC生成特定信号，以获得所需的电机行为。

图7显示了步进电机控制方案的简单表示。预驱动IC和晶体管电桥可以包含在单个器件中，称为驱动IC。

图7：电机控制基本方案

步进电机驱动器类型

市场上有不同的步进电机驱动IC，它们展示了特定应用的不同功能。最重要的特征包括输入接口。最常见的选项是：

1. 步进/方向 – 通过在步进引脚上发送脉冲，驱动IC改变其输出，以便电机将执行步进，其方向由方向引脚上的电平确定。
2. 相位/使能 – F或每个定子绕组相位，相位确定电流方向，如果相位通电，则触发使能。
3. PWM – 直接控制低端和高侧FET的栅极信号。

 步进电机驱动IC的另一个重要特征是，它是否只能控制绕组两端的电压，或者同时控制流经绕组的电流：

1. 通过电压控制，驱动IC仅调节绕组两端的电压。产生的扭矩和执行步骤的速度仅取决于电机和负载特性。
2. 电流控制驱动IC更先进，因为它们调节流经有源线圈的电流，以便更好地控制产生的扭矩，从而控制整个系统的动态行为。

单极/双极电机

电机的另一个影响控制的特征是定子线圈的排列，这些线圈决定了电流方向是如何变化的。为了实现转子的运动，不仅需要为线圈通电，还需要控制电流的方向，这决定了线圈本身产生的磁场的方向（见图8）。 在步进电机中，控制电流方向的问题通过两种不同的方法解决。

图8：基于线圈电流方向的磁场方向

在单极步进电机中，其中一根引线连接到线圈的中心点（见图9）。这允许使用相对简单的电路和元件来控制电流的方向。中央引线（AM)连接到输入电压V在 （请参阅图 8）。如果 MOSFET 1 处于活动状态，则电流从 A 流出M到 A+。如果 MOSFET 2处于活动状态，则电流从 A 流出M到A-，在相反的方向上产生磁场。如上所述，这种方法允许更简单的驱动电路（只需要两个半导体），但缺点是一次只使用电机中使用的铜的一半，这意味着对于在线圈中流动的相同电流，如果使用所有铜，磁场的强度是原来的一半。此外，这些电机更难构建，因为必须提供更多的引线作为电机输入。

图9：单极步进电机驱动电路

在双极步进电机中，每个线圈只有两根引线可用，为了控制方向，必须使用H桥（见图10）。如图8所示，如果MOSFET 1和4有源，则电流从A+流向A-，而如果MOSFET 2和3有源，电流从A-流向A+，产生相反方向的磁场。该解决方案需要更复杂的驱动电路，但允许电机达到所用铜量的最大扭矩。

图10：双极步进电机驱动电路

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