步进电机控制 步进电机的简单控制方法 步进电机需要怎么样去驱动

根据资料来看步进电机的原型早在1870年左右就出现了，在20世纪60年代永磁体制造技术进步后得到快速发展，现在已是一种基本的电机类型。步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。对于许多初学电子的年轻朋友来说，步进电机还是十分的陌生。它无法像上期我们介绍的直流电机只要接通电源后就能正常工作，它是一种感应电机，需要驱动电路将直流电变成分时供电的多相时序控制电流，来按一定时序向步进电机各个绕组供电，简单来说使用步进电机的最小系统必须有脉冲信号发生器、功率驱动电路才可以使其正常工作。因此要用好步进电机必须有电机、电子、微机等知识。虽然步进电机在使用上相对复杂，但在各种需要精确控制的领域都被广泛使用，原因如下：在非超载的情况下，步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，在步进驱动电路的控制下，每一个脉冲信号只会让电机按步距角转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，只需要控制控制脉冲个数就可以控制其电机轴的角位移量，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到精确定位和调速的目的。那么步进电机又是如何做到这些的呢？请向下看。

步进电机可以分成 反应式 （可变磁阻式VR）， 永磁式 （PM）以及 混合式 （HB）三种。现在最常见的是混合式步进电机，它是汇集了可变磁阻步进电机和永磁体步进电机二种步进电机的优点。这三种种类的步进电机结构原理图分别是图一至图三。

图一VR

图二PM

图三HB

三种种类的步进电机虽然结构上有很大区别，但其基本的工作原理差不多。下面以步距角为90°的步进电机简单模型来讲解工作原理。图四就是90°步距角的步进电机结构模型，中心的转子是由永磁体组成，转子至少由一块永磁体组成，通常都不止一块，而围绕转子的是定子，是由绕组群组成。这个结构和普通有电刷的直流电机不一样，直流电机转子是绕组，定子则是永磁体，当直流电机给绕组（转子）通电时，通过转向器作用，转子会使是电机轴不停转动，而步进电机给一组绕组通电时，这一绕组产生磁场，转子受磁场作用会转到这个绕组的位置上，并保持在这个位置上。使用过步进电机的朋友都什么知道，当步进电机驱动器通电后，步进电机会锁定，如果你这时想用手去转动电机轴是很费力的，尺寸大点的步进电机更是没法转动，这就是受到上述所说的作用力，这个作用力矩称之为保持转矩。步进电机的步距、保持等这些特性使得它在多个领域中有广泛的应用。如图五中的自动注射器中的传动机构、雕刻机的传动机构、打印机的传动机构等等传动电机都是使用了步进电机。

图四 简单的步进电机模型

步进电机英文称为steppingmotor，从字面也可以理解到，这种电机是以‘步’来运转的，而不像普通直通电机那样连续顺畅的旋转，要使步进电机连续旋转必须按‘步’走，一步一步前进。那么怎么能让步进电机转子‘步进’起来呢？看过上一篇直流电机文章的读者知道洛伦兹力，就不难回答这个问题，对的，如图四中只要把绕组2断电而绕组1通电就可以把转子‘步进’到绕组1的位置上。下面我们来用图说明图四的90°步距角的步进电机模型顺时针旋转一周的工作过程。首先给绕组1正相加电，让转子保持在图六位置上，然后绕组1断电，绕组2正相加电，这时转子会转到图七位置上，这时转子转了一个步距角正好转了90°，第三步转子要图八的位置上，这时绕组1必须施加反相电流才能产生图八中的磁场使转子从第二步位置转到第三步位置上，同样第四步中的绕组2也必须施加反相电流。顺序重复这些步骤时，电机转子就可以连续做顺时针圆周旋转，而每一步则正好转了90°。那么要逆时针旋转又该如何做呢？很简单只要把步骤反过来执行可以了，如在执行第三步后，再执行第二步那么转子会逆时针转90°回到图七的位置上。由此可以看出使用步进电机必须也要有换相器，只是它不同于普通直流电机那样使用简单的电刷机器式换相器，而是需要能使多个绕组进行分时供电和换相的驱动电路来实现这一功能。驱动控制电路所输出的时序及频率则是控制步进电机速度和位置的关键。

图六 第一步

图七 第二步

图八 第三步

图九 第四步

从以上的过程描述我们可以看出步进电机的每一步都会精确的走一个步距角，而不需要额外的一个反馈系统，也就是使用开环系统就能实现精确的定位。普通直流电机不加反馈系统的情况下是不可能实现的，使用步进电机可以在廉价的基础上得到理想的精度，这也是图五中那些精密设备要使用步进电机的原因之一。每步90°怎么能算精确呢?当然，那只是我们用来分析的简单模型，实际上现在常用的混合式步进电机步距角都很小，而常见混合式的步进电机又有单极性、两相以及五相，单极性步进电机的步距角一般为3.6°或7.2°，两相步进电机步距角为3.6°或1.8°，五相步进电机则为0.72°或0.36°。有一些高性能的步进电机最小步距角可以到0.036°，但那是极为少见和昂贵的。图十就是一个五相混合式步进电机的内部结构照片。可以清楚看到十组绕组组成的定子及由圆柱齿轮状永磁体组成的转子。图十一则是这个五相步进电机的外观图，而图十二则是两相步进电机的外观，同是混合式其内部结构基本一样，只是绕组的接线形式不一样。所以在使用步进电机之前，我们必须先了解步进电机的绕组的线路结构。图十三是单极性步进电机（又称4相步进电机）的线圈线路，图上的引线是5线，还有一种是6级单极性步进电机，不同之外是公共端分为2线引出，每2个线圈一个公共端。这样的电机通常在打印机、仪表等处可以找到，体积都比较小。图十四是双极性步进电机（又称2相步进电机），其体积和驱动能力都会比单极性的要大许多。图十五则是五相步进电机的线路结构图。另外还有三相步进电机由三组绕组组成定子，这里不做具体说明了。另一种比较不常见的步进电机就是通用步进电机，它的每一组绕组的引线分别引出，一般为8线，这种电机可能根据使用者的需要配置为单极性或双极性等形式使用。

图十三 单极性

图十四 双极性

图十五 五相

知道步进电机的工作原理及结构后，我们就不难知道它工作时需要怎么样的时序对绕组加电进行驱动了，下面我们来具体看看单极性和双极性这二种常用的步进电机需要怎么样去驱动。

购买二手单极性电机电机时，商家通常不会给你资料，甚至在电机上看不到型号，使用时先需要找出引线是属于那个相的。以上几个步骤可以帮你很快解决这个问题，这里是以5线单极性步进电机为例，图十六是试验时的照片。

1． 因为公共端与其它各引线的电阻是一样的，所以用万用表把测量每一根线对其它线的电阻，如果这根对其它线的电阻都一样，则说明是公共端了。

2． 把公共端连到一个电源的正极，测试时可以用＋5V。

3． 用一胶带粘贴到步进电机的输出轴上，用于看电机是否转动。

4． 任意选出一条引线（公共线除外），把此线看做A相的引出线，把它接到电源的负极，这时电机会转动一下或不转动。

5． 然后断开接在A相的负极接线，用其接触其它的线，如果这时电机顺时针转转动，说明所接触的引线是B相的引出线，如果电机逆时针转动则说明不是B相，这时断开负极线，用负极线接触一下A相，使转子回复到原位。

6． 用第5点的方式找出C、D相，最后用负极线依次接触ABCD相，转子能顺时针连续转动时，则说明相序寻找正确。

从寻相的过程中，可以发现单极性步进电机只要单一极性的电源对绕组进行加电就可以让电机运转，这也是其名称的由来。通过同时对一组或多组绕组加电，可以得到不同的步进方式。单极性步进电机的步进方式有如下三种，单拍，双拍，半拍。

单拍步进方式的驱动时序如表一，单拍的工作原理是每次给一个绕组通电，转子与通电绕组磁性相反的永磁体会被通电绕组吸引，依次通ABCD相，转子就会不停的转动。

双拍步进方式的驱动时序如表二，双拍的工作原理，一次同时给两个绕组通电，转子会到达两个绕组的中间位置时平衡，因为同时两个绕组通电，所以用电量也需要比单拍方式多一倍，但可以多获得40%左右的输出力矩。

半拍步进方式的驱动时序如表三，半拍方式是让单个绕组通电与双个绕组通电交替进行，输出力矩比单拍大，但又比双拍小15%－30%。这种方式可以提高一倍步进分辨率，也就是电机转一周需要双倍的脉冲数，而每步步距角是单拍或双拍时的一半。

双极性，也就是说每个绕组都可以两个方向通电，对于转子而言每个绕组就可以是N极和S极。通常也称之为两相步进电机，因其具有两组分离的线圈。同一大小的双极性和单极性步进电机相比较，双极性的输出力矩要比单极性的要大，原因是工作时单极性的只有一个绕组形成磁场，而双极性则是两个绕组形成两个磁极吸引转子。双极性步进电机一般有4根引出线，可以使用万用表方便的查出那2根引线是在一个绕组上的。常见的双极性步进电机一般步距为1.8°，每200步为一圈，在使用半拍方式驱动时可以是400步转一圈。也经常见到有6线引出的，多一对中间抽头，可以有2种接法如图十七。

图十七 6线双极性步进电机的2种接法

因为双极性的绕组是需要在两个方向上通电的，所以在驱动电路上需要一个H桥电路，通过控制H桥的导通和关闭，可以改变绕组引线上的电流方向，从而实现电机的转动控制。双极性步进电机同样具有单极性步进电机的步进方式。时序如下三表。

选用步进电机时可以分以下几步：

1.步进电机的尺寸一般会有42、57、86、110等，是指安装孔的间距，通常相同安装孔间距而机身长度越长的电机，力矩会越大。

2.步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度，而电机的步距角应等于或小于此角度步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8/3.6/7.2.度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）。

3.保持转矩也称静力矩，是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，如果商家说这步进电机是2N.m的，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机

4.电流 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可以参看电机的特性曲线，但一般要求不高的话，可以直接参考需要使用的驱动器最大电流值，电机电流应小于或等于驱动器的最大电流。

如果需要自己制作单极性步进电机驱动电路，小电流的可以用使用ULN2003，大电流可以用分立的晶体管来分别控制每一相的电源导通。双极性步进电机在驱动时电源需要换相，所以要有2个H桥电路去控制，小电流的双极性电机可以使用L293、L293D、L298等常用又价廉的集成IC去制作简单的驱动。如图十八则是L293D用于驱动双极性步进电机时的典型电路。如果是需要大点电路或需要更加高精度和高性能的驱动，其电路复杂不适合自制，最好建议购买现成的驱动器。市场上国产步进电机驱动器比较多见的是东茂、白山、雷赛等，步进电机品牌国内外常见的有三洋、东方、雷赛、研控、白山等。图十九是国内一款双极性步进电机驱动的外观图。

图十八 L293D驱动电路

在步进驱动IC或步进驱动器中常会用到一个技术名词-“细分”，这个技术原理和上面说的半拍模式相拟，是一种电子阻尼技术，通常是使用专用IC或MCU控制电动机各相绕组中电流的大小和比例,使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一甚至更高，同时极大改善步进电机运行的平稳性，是高级步进驱动器中不可少的技术。比如说一只1.8度步距角的二相步进电机，旋转一周所需要的脉冲当量是200，但如果使用了10细分的步进驱动，则需要2000个脉冲才可以完成，也就是每个脉冲使电机轴转了0.18度，这样就得以把步进分辨率提高了10倍。由于步进电机工作原理的原因，当步进电机工作在低速时，特别是使用单、双拍这样的整步步进方式极容易产生振动，这样就需要使用驱动器细分技术减少或克服这个对电机工作不利的振动产生。步进电机的输出力矩是随转速升高而下降，一般的混合式步进电机最高工作转速在300～600RPM。步进电机的控制为开环控制，没有反馈信号可以处理，当步进电机的启动频率过高或负载过大时很容易出现丢步或堵转，还有就是停止时转速过高时易出现过冲。所以在实际使用中，在要求高的条件下，需要控制软件或控制器使用运动曲线去控制步进电机在启动、运转、停止三个阶段的转速，去克服这些问题。在爱好者们的一般应用中可以不去考虑太多这些，如在机器小车的制作，使用步进电机来带动车轮，精度要求不高，只要能驱动起来就可以了，但在不使用闭环系统时会比使用直流电机更容易得到更好的位移精度。

通常成品的步进驱动有如下的信号引脚（可能编号会因厂商不同而与不同），有些只可以接收单脉冲信号，有些是可以接收单脉冲信号和双脉冲信号
PUL 步进脉冲信号

DIR 方向脉冲信号(双向脉冲时为反转脉冲)

FREE 脱机信号，也就是关闭驱动器输出，电机静力矩消失

图二十是单脉冲信号的示意图，PUL的每个脉冲控制电机步数，而DIR则指示正反转。

图二十

图二十一是双脉冲信号的示意图，每个信号引脚指示一个运转方向，脉冲数则同样用于控制步数。

图二十一