驱动技术加持下活力依旧的步进电机

电子发烧友网报道（文/李宁远）和伺服电机一样，步进电机也是一种经常出现的电机。步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或者线位移的执行器。通俗一点讲，当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就会驱动步进电机按设定的方向转播一个固定的角度。
 
所以步进电机可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确的位置控制。同时还可以通过控制脉冲的频率来控制电机的转速，从而达到调速的目的。
 
永磁式步进电机与反应式步进电机
 
可以把步进电机分为永磁式步进电机、反应式步进电机以及混合式步进电机。永磁式步进电机一般是两相的，其转矩和体积都比较小。
 
永磁式步进电机的步进角一般是7.5°或者15°。永磁式步进电机的转子自然是由永磁性材料制成，其NS级交替分布在转子上，定子由软磁性材料制成，上面分布有两相励磁绕组定子，通电后利用永磁体与定子电流产生的磁场相互作用产生转矩。
 
反应式步进电机则一般为三相，噪声和振动更大的同时可以实现大转矩输出，现在已经不太常见，被市场淘汰。
 
基于二者的优点，混合式步进电机现在应用非常多。混合式步进电机有两相、三相和五相之分，两相混合式步进电机的步进角一般是1.8°，五相的混合式步进电机步进角一般为0.72°。目前市面上绝大多数步进电机使用的是两相绕组。
 
混合式步进电机的定子一般由8个磁极构成，两相绕组错开缠绕在8个磁极上，和永磁式类似，都依赖于带有永磁体的转子。混合式步进电机结合了永磁式步进电机和反应式步进电机各自的优点，有着步进角度小、精度高的优点。
 
步进电机的驱控
 
以典型的两相双极步进电机为例，通常是用全桥结构来作为整步驱动。而且相较于单向驱动，双向驱动效率更高，力矩更大，因此在实际应用当中更为常见。
 
为了进一步提高步进电机的控制精度，细分控制也被引入了进来。整步模式下的单向驱动和双向驱动交替地结合在一起，就产生了半步控制。这种控制下，不论是单相励磁整步模式还是双向励磁整步模式，一个周期内的电气角数量都是4个，半步模式则细分到8个电气角。
 
 
一个电周期内的电气角位置比整步模式多了一倍。同样数量的脉冲信号下大大提高了控制精度。进而，不断分割两相驱动电流，得到更小的步进增量，就是现在很出名的微步驱动，也是现在很多步进电机都会用的驱动方式。
 
不过需要注意的是，虽然微步驱动可以大大提高步进电机的准确性，但步进电机的丢步问题也还是无法避免的。
 
现在也可以看到越来越多厂商推出一体化闭环电机，填补开环的步进电机和高性能伺服电机中间阶段的空白。传统的步进电机可以控制转子的角度位置，不需要传感器来控制位置，是典型的开环控制系统。
 
在高速度，高响应，高精度的需求下，步进电机也开始往闭环发展。闭环的驱控可以解决丢步问题，也是步进电机驱控能力的体现。现在不少一体化闭环步进电机，在驱控的加持下都有了精确的定位与流畅的运动曲线。
 
小结
 
在驱动方式的技术更新下，步进电机在不少传统应用和新兴应用中有着很大的应用空间，同时驱动能力的提升也使步进系统逐渐进入高精度要求的机器，填补开环步进和高性能伺服中间断档的空缺。