51单片机 | 步进电机实验

  步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。本节主要从步进电机的结构、工作原理、电机参数分别介绍，最后通过实验来实现步进电机运动的简单控制。

一、步进电机简介

  步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累计误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛的应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机也并非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等多专业知识。下图即为混合式步进电机组成图。

二、步进电机工作原理

  通常步进电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。磁场会带动转子旋转一定的角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转步距角。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可以控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。具体看下图：

1.步进电机极性区分

  步进电机又分为单极性的步进电机和双极性的步进电机；具体简易图如下图所示：

其中左侧为单极性步进电机，右侧为双极性的步进电机，从上图中不难看出区别是什么。单双极性是指一个步进电机里面有几种电流的流向，左侧的五线四相步进电机就是单极性的步进电机，图中的红色箭头为电流的走向，四根线的电流走向汇总到公共线，所以称之为单极性电机；但是右侧不同，电机中有两个电流的回路，两个电流的回路自然就是双极性，所以称之为双极性电机。

• 单极性绕组
    单极性步进电机使用的是单极性绕组。其一个电极上有两个绕组，这种联接方式为当一个绕组通电时，产生一个北极磁场；另一个绕组通电，则产生一个南极磁场。因为从驱动器到线圈的电流不会反向，所以可称其为单极绕组。

• 双极性绕组
    双极性步进电机使用的是双极性绕组。每相用一个绕组，通过将绕组中电流反向，电磁极性被反向。典型的两相双极驱动的输出步骤在电气原理图和下图中的步进顺序中进一步阐述。按图所示，转换只利用绕组简单地改变电流的方向，就能改变该组的极性。
  
  永磁步进电机包括一个永磁转子、线圈绕组和导磁定子，只要将线圈通电根据电磁铁的原理就会产生磁场，分为南北极，见上图所示；通过改变步进电机定子的磁场，转子就会因磁场的变化而发生转动，同理，依次改变通电的顺序就可以使得电机转动起来。

2.双极性步进电机驱动原理

  下图是一个双极性的步进电机整步，步进顺序。在第一步中：将 A 相通电，根据电磁铁原理，产生磁性，并且因异性相吸，所以磁场将转子固定在第一步的位置；第二步：当 A 相关闭，B 相通电时，转子会旋转 90°；第三步：B 相关闭、A 相通电，但极性与第 1 步相反，这促使转子再次旋转 90°。在第四步中：A 相关闭、B 相通电，极性与第 2 步相反。重复该顺序促使转子按 90°的步距角顺时针旋转。

上图中显示的步进顺序是单相激励步进，也可以理解为每次通电产生磁性的相只有一个，要么 A 相，要么 B 相；但是更常用的是双相激励，但是在转换时，一次只能换相一次，具体详见下图：

上图是两相同时通电的旋转顺序，与单相激励不同的是，单相通电后被固定在了与定子正对着的绕组极性，但是双相同时激励时转子却被固定在两个绕阻的极性中间；此时通电顺序就变成了 AB 相同时通电即可。
  在双相激励的过程中，也可以在换相位时加一个关闭相位的状态而产生走半步的现象（单相激励与双相激励结合），这将步进电机的整个步距角一分为二，例如，一个 90°的步进电机将每半步移动 45°，具体见下图。

1. A 相通电，B 相不通电
2. A、B 相全部通电，且电流相同，产生相同磁性
3. B 相通电，A 断电
4. B 相通电，A 相通电，且电流相等，产生相同磁性
5. A 相通电，B 断电
6. A、B 相全部通电，且电流相同，产生相同磁性
7. B 相通电，A 断电
8. B 相通电，A 相通电，且电流相等，产生相同磁性

其中 1~4 步与5~8 步的电流方向相反（电流相反，电磁的极性就相反）这样就产生了顺时针旋转，同理逆时针是将通电顺序反过来即可。

3.单极性步进电机驱动原理

  单极性与双极性步进电机驱动类似，都可以分为整步与半步的驱动方式，不同的是，双极性的步进电机可以通过改变电流的方向来改变每相的磁场方向，但是单极性的就不可以了，它有一个公共端，这就直接决定了电流方向。具体旋转顺序详见下图：

  上图是单极性步进电机整步旋转的过程，其中，在图示中分为 5 根线，分别为 A、B、C、D 和公共端（+），公共端需要一直通电，剩下 ABCD 相中只要有一个相通电，即可形成回路产生磁场，图中的通电顺序为 A->B->C->D，即可完成上图中的顺时针旋转，如果想要逆时针旋转只需要将其倒序即可。
  以上是单相通电产生的整步旋转，两相通电也可以产生，两个相邻的相通电，这样相邻的两个相就都产生了回路，也就产生了磁场，图中的通电顺序为AB->BC->CD->DA，同理逆时针旋转的顺序为逆序。具体看下图：

  上面两张图清晰的描述了单极性步进电机的通电顺序与旋转的过程，综合这两张图就是单极性步进电机半步的通电顺序，具体看下图：

  上图兼容了前两张图的所有特点，也可以说前两张图是这张图的子集，图中的通电顺序为：A->AB->B->BC->C->CD->D->DA 转子每次只走半步 45 度，所以这也被称为半步驱动，与整步相比半步的旋转方式旋转起来更加的顺滑。

4.细分驱动原理

  对于细分驱动的原理，不分单双极性步进电机，下图以单极性为例：

  在上图中均为双相激励；其中图（a）为 A 相电流很大，B 相的电流极其微弱，接近 0；图 （c） 为 A 相和 B 相的电流相同，电流决定磁场，所以说 A 相和 B 相的磁场也是相同的，(a) 和（c）可以是极限特殊的情况，再看图（b）和图（d）这两个是由于 A 相和 B 相的电流不同产生位置情况；由此可以得出改变定子的电流比例就可以使得转子在任意角度停住。细分的原理就是：通过改变定子的电流比例，改变转子在一个整步中的不同位置，可以将一个整步分成多个小步来运行。
  在上图中就是一个整步分成了 4 步来跑，从（a&#x