步进电机的驱动模式及其原理

我们在上一篇文章以最常见的两相8极50齿1.8°步距角的混合式步进电机为例讲解了步进电机的结构和转动机理，这篇我们来讲讲步进电机的驱动模式。

两相步进电机，根据两相电流的通断、大小可以分为：单相励磁全步驱动、双相励磁全步驱动、混合励磁半步驱动，以及细分驱动模式。

（1）单相励磁全步驱动

其实我们上一篇文章演示步进电机驱动原理就是以单相励磁全步驱动模式为案例的，大家可以点击联系查看。在这种模式下，A相和B相交替通电，带动转子转动，两相通电的模式如下：

注：A表示A相绕组正向通电，A-表示A相绕组反向通电，B绕组亦然。

（2）混合励磁半步驱动

在上面单相励磁全步驱动的模式下，我们在每两步中间插入一个过渡步骤——在接通下一个绕组的同时保持上一个绕组通电(表格中标绿的步骤），那么励磁的模式就变成了如下情形：

两相同时通电时，相当于在原本单相通电的平衡位置中插入了一个新的平衡位置，而根据受力平衡分析，这个新的平衡位置就在原来两个连续平衡位置的正中间，从而创造了一个“半步”。以A>AB>B这个步骤举例分析转子平衡位置，如图1-3所示，定子1、3、5、7极为A相，2、4、6、8极为B相。

图1 A相通电转子平衡位置

图2 A、B相同时通电转子平衡位置

图3 B相通电转子平衡位置

可以看到，原本A>B过程，转子转动了1/4齿，也就是1.8°，这是全步驱动的情况，在其中插入一步变成A>AB>B后，转子一步转动了1/8齿0.9°，这就是单双相混合励磁半步驱动的情形。

（3）双相励磁全步驱动

紧接上文，我们可以看到在半步驱动模式下，励磁顺序是单相双相轮流驱动的，假如我们将其中单相励磁的步骤全步删除惠怎么样呢？显然励磁顺序变成了AB>BA->A-B->B-A>AB，如下表所示：

由于单相通电的平衡位置全部去掉，只剩下双相通电的平衡位置，那么步长重新变为1.8°，平衡位置在原来单相励磁的基础上向转动方向移动了1/8个齿即0.9°。

我们在上一篇视频中展示了电机低频转动时转子齿跟定子齿的位置关系，在展示1.8°步长（全步驱动）时，细心的观众可能会发现转子齿和定子齿并没有完全对齐的时刻（参考图4），而在0.9°步长时，转子和定子齿是有完美对齐的时刻的，其原因就在于目前主流的全步驱动都是采用的双相励磁的方式。

图4. 全步驱动(左）时转子齿和定子齿错开0.9°而半步驱动（右）时则能对齐

（4）细分驱动

从上文中半步驱动的情形中可以看出，通过在两个单相励磁的步骤中间插入一个两相励磁（同等电流），就可以产生一个正好恰好位于中间的平衡位置，从而将步长一分为二变成0.9°。那么如果我们进一步调整两相的电流大小，理论上可以产生任意的角度分割，而这就是细分的原理。对于50齿的转子，其实是50对NS极交替排布，每对相邻的NS齿所占的机械角度是7.2°，对映的电角度是360°，那么对于单相励磁驱动，每次换相转动的1.8°对应的是90°电角度，因此A、B两相的电流相位偏差正好是90度。

在一个步距角1.8°的跨度内，调节两相电流的大小是如何对步长进行细分的，可以参考图5的示意。

图5 两相步进电机一个步距角内的细分原理示意图

要让转子在一个步距角内的任意角度平衡，只需要转子受到两相绕组的力矩相等即可，即TA=TB

而TA=C*KiA*sinθ

TB=C*KiB*cosθ

要TA=TB,只需要iA=Icosθ，iB=Isinθ即可，其中I为输入电流。

因此，若要进行二倍的细分，即步长为0.9°，相应的θ为45°，那么此时iA=iB=0.71*I。

若要进行4倍细分，相应的θ为22.5°，那么iA=0.92*I，iB=0.38*I。

以此类推。

而单相励磁驱动的情形其实也可以看成一种特殊的细分，即θ=0时的细分，这时iA=I，iB=0

以4倍细分为例，一个步距角内，位移角度和A、B两相的电流大小可以总结为下表：

按照这种方式，可以继续8倍细分、16倍细分，常见的驱动器可以做到256倍细分，也就是每步1.8°/256=0.007°。

以上说明了细分驱动的原理，下面我们说一下细分驱动有哪些作用。

首先细分可以显著降低振动和噪音。由于经过细分后电流变化相对平滑，避免了整步驱动时磁场的剧烈变化，从而大大减少了电机的振动和运行噪音。这是细分驱动最突出的优点。在低速运行时，细分驱动可以将一个大的整步细分成小步，从而减小了运动的顿挫感，是低速运动更平滑。

其次，细分可以减少共振现象。步进电机在整步或者半步运行时，在某些速度下容易产生共振，导致失步或噪音。细分驱动平滑了运动，有效抑制了共振。

最后，细分可以提高步距分辨率。实现了比电机固有步距角小得多的步进，运动更平滑。

那么增加了细分度是否意味着更高的精度呢？答案是否定的，因为步进电机的精度始终由其机械结构决定（例如1.8°±5%），无法由细分继续提高精度。细分操作只是一种插值操作，通过电流大小的控制将固有的步距角进行人为的划分，而这种划分并不能提高精度。打个比方，步进电机固有的步距角就像一个个等距的大台阶，人在登台阶的过程中每一步都要费力攀爬，身体的振动比较大。而细分的作用就像我们在大台阶中间又垫了一些小阶梯，把台阶分成了更小的台阶，这样人在登台阶的过程中每步步幅变小，身体振动也减小了，运动也更加连贯了，然而这些小台阶并不能准确定位，只有踏上原本台阶面时才有准确的定位（图6）。

图6 爬台阶的比喻，整步驱动（左）和细分驱动（右）

本篇讲解了步进电机主流的驱动模式以及细分驱动的原理，后面我们再找机会讲一讲控制步进电机各相电流大小、通断的核心——驱动器的原理。

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