全步、半步和微步 步進(jìn)電機這三種控制模式哪種好？

文章 概述

本文主要探討了步進(jìn)電機的驅動(dòng)工作原理，重點(diǎn)分析了全步、半步和微步三種控制模式的 原理 、 優(yōu)劣勢 及其在自動(dòng)化設備中的 應用 。文章基于A(yíng)DI Trinamic系列產(chǎn)品，詳細介紹了步進(jìn)電機的基本結構和工作機制，并對比了三種控制模式的性能特點(diǎn)。文章還介紹了相關(guān)產(chǎn)品，展示了步進(jìn)電機驅動(dòng)技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域的廣泛應用前景。

步進(jìn)電機在眾多自動(dòng)化設備中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，具備高可靠性，且在開(kāi)環(huán)控制時(shí)能實(shí)現高精度定位，在低速運行時(shí)可提供高扭矩，所以被廣泛應用于工業(yè)、醫療、3D 打印、機器人技術(shù)等領(lǐng)域。本文基于 ADI Trinamic 系列產(chǎn)品，淺談 步進(jìn)電機 的 驅動(dòng)技術(shù) ，包括全步、半步和微步控制模式的原理、優(yōu)劣勢。1. 步進(jìn)電機基礎1.1 電機結構結構步進(jìn)電機主要由磁性轉子和定子線(xiàn)圈構成。常見(jiàn)的混合 2相步進(jìn)電機，其轉子包含兩個(gè)磁杯，每個(gè)磁杯通常有 50 個(gè)齒，且極性相反、相互偏移；定子則有兩個(gè)繞在轉子周?chē)木€(xiàn)圈。這種結構設計使得電機能夠通過(guò)電磁感應原理實(shí)現精確的旋轉運動(dòng)。

圖 1. 混合式步進(jìn)電機結構。(a) 8 極定子。(b) 永磁體轉子。（圖片來(lái)源于A(yíng)DI）1.2 工作機制當按順序給定子線(xiàn)圈通電時(shí)，會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與轉子的永磁體相互作用，使轉子旋轉。

圖 2. 混合式步進(jìn)電機運行。（圖片來(lái)源于A(yíng)DI）電機通過(guò)將完整旋轉劃分為等距步來(lái)實(shí)現精確位置控制，例如每轉 200 個(gè)離散位置的電機，步距角為 1.8°（360° 除以全步數）。電流切換使磁場(chǎng)變化，從而引導轉子按步距角轉動(dòng)，且無(wú)需位置反饋（開(kāi)環(huán)控制）。這種工作機制使得步進(jìn)電機在許多需要精確位置控制的應用中具有獨特優(yōu)勢。

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• 如何驅動(dòng)步進(jìn)電機

1.3 全步模式與半步模式為了更好地理解步進(jìn)電機的步進(jìn)行為，我們將評估一個(gè)簡(jiǎn)化的具有一個(gè)磁極對的 2 相步進(jìn)電機模型

圖 3. 簡(jiǎn)化的帶永磁體轉子的 2 相步進(jìn)電機。（圖片來(lái)源于A(yíng)DI）

• 全步模式

• 原理 ：驅動(dòng)器向兩個(gè)線(xiàn)圈通正或負電流，使兩相同時(shí)通電以實(shí)現最大扭矩。通過(guò)切換線(xiàn)圈電流方向，可使電機軸按固定步距角旋轉，這種換向模式遵循特定序列。

• 線(xiàn)圈 1 = +I，線(xiàn)圈 2 = +I

• 線(xiàn)圈 1 = -I，線(xiàn)圈 2 = +I

• 線(xiàn)圈 1 = -I，線(xiàn)圈 2 = -I

• 線(xiàn)圈 1 = +I，線(xiàn)圈 2 = -I

圖 4. 2 相步進(jìn)電機的全步模式 （圖片來(lái)源于A(yíng)DI）如上圖，展示了兩相步進(jìn)電機在全步模式下的四個(gè)不同狀態(tài)。每個(gè)狀態(tài)中，線(xiàn)圈的通電情況與上方電流倍數相對應，并且可以看到轉子（圖中藍色和橙色部分）在不同通電狀態(tài)下的位置變化，直觀(guān)地展示了全步模式下電機的運行原理。在第一步時(shí)，線(xiàn)圈 1 的電流倍數為 1，線(xiàn)圈 2 的電流倍數也為 1；在第二步時(shí)，線(xiàn)圈 1 的電流倍數變?yōu)?- 1，線(xiàn)圈 2 的電流倍數仍為 1，以此類(lèi)推，呈現出周期性的變化。

• 全步模式性能優(yōu)勢與局限 ： 全步模式能實(shí)現精確步距、速度控制和高保持扭矩，在高速運行時(shí)可最大化扭矩輸出。但因其步距較大，會(huì )導致電機在運行中產(chǎn)生明顯位置跳躍，引發(fā)高共振，使電機超過(guò)目標位置，從而降低實(shí)際施加扭矩，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。這在一些對精度和穩定性要求較高的應用中可能會(huì )帶來(lái)問(wèn)題。

圖 5. 全步運行時(shí)的過(guò)沖和振蕩。（圖片來(lái)源于A(yíng)DI）如上圖，全步模式呈現出周期性的階梯狀變化?？梢钥吹皆诿總€(gè)全步切換時(shí)，轉子位置會(huì )出現明顯的過(guò)沖（overshoot，即位置超過(guò)了預期的穩定位置）和振蕩（ringing，即位置在穩定位置附近波動(dòng)）現象。例如，在從第一步切換到第二步時(shí)，轉子位置先快速上升超過(guò)了第二步的穩定位置，然后在該位置附近振蕩一段時(shí)間后才逐漸穩定。

• 半步模式

• 原理 ：半步模式在全步模式基礎上，通過(guò)在兩相通電切換過(guò)程中增加一個(gè)額外電流狀態(tài)，使每個(gè)磁極對的轉子位置數量翻倍，達到八個(gè)，從而將步長(cháng)減半，實(shí)現位置分辨率的提升。電機驅動(dòng)器通過(guò)交替進(jìn)行單相和雙相勵磁來(lái)實(shí)現這種半步行為。

  
  

  

  
  

圖 6. 2 相步進(jìn)電機的半步模式。（圖片來(lái)源于A(yíng)DI）如上圖，展示了在八個(gè)半步狀態(tài)下，兩個(gè)線(xiàn)圈的電流倍數變化情況?？梢钥吹诫娏髯兓宇l繁，與全步模式相比，電流狀態(tài)的切換更加精細，這是為了實(shí)現更小的步長(cháng)。

• 性能優(yōu)勢與局限 ：半步模式在一定程度上改善了位置過(guò)沖、振動(dòng)和噪聲問(wèn)題，低速時(shí)旋轉扭矩略有增加。但由于電機仍存在相對較大的位置跳躍，其旋轉并非完全平滑，尤其在低速運行時(shí)，這種不平穩性更為顯著(zhù)。這促使了對更精細控制方式 —— 微步控制的需求。

1.4 微步控制技術(shù)（一）原理與實(shí)現1). 微步控制的概念微步控制是一種先進(jìn)的控制方法，它允許電機旋轉到全步之間的多個(gè)中間位置，從而顯著(zhù)提高位置分辨率并實(shí)現更平滑的低速旋轉。通過(guò)將每個(gè)全步細分為一系列等距的微步來(lái)達成這一目標。

圖 7. 微步控制時(shí)通過(guò)每個(gè)線(xiàn)圈的電流。（圖片來(lái)源于A(yíng)DI）如上圖，展示了微步控制過(guò)程中電機的不同狀態(tài)，包括線(xiàn)圈 A1、A2 和 B1、B2 的通電情況以及轉子的相應位置變化，直觀(guān)地呈現了微步控制下電機的工作過(guò)程。

圖 8. 不同步模式下電流波形和位置過(guò)沖 / 振蕩的比較。（圖片來(lái)源于A(yíng)DI）如上圖，綠色曲線(xiàn)（線(xiàn)圈 1）和紅色曲線(xiàn)（線(xiàn)圈 2）分別展示了在不同步模式下兩個(gè)線(xiàn)圈的電流變化情況?？梢悦黠@看出，全步模式下電流變化是階梯狀的，半步模式下階梯更細密，而微步模式下電流變化趨近于正弦波，更加平滑。下方是位置過(guò)沖 / 振蕩圖，展示了在不同步模式下轉子位置的變化情況。全步模式下位置過(guò)沖和振蕩明顯，半步模式有所改善，微步模式下位置變化更加平穩，幾乎沒(méi)有明顯的過(guò)沖和振蕩，進(jìn)一步說(shuō)明了微步控制在改善電機運行性能方面的優(yōu)勢。2). 工作方式與技術(shù)實(shí)現微步控制實(shí)現了最佳的運行行為。在這里，相不僅被接通和斷開(kāi)，還被充入不同的電流值。兩個(gè)相由偏移 90° 的近似正弦波控制。一個(gè)全步被分成更小的單元。這些被稱(chēng)為 “微步”。微步分辨率是一個(gè)全步被劃分成的中間位置的數量。

圖9. 1/16 微步的運行情況 （圖片來(lái)源于A(yíng)DI）如上圖，左側圖示： 兩相（相A 和 相B）的電流變化曲線(xiàn)?？梢钥吹?相A 和 相B 的電流曲線(xiàn)呈近似正弦波且相互偏移 90°。圖中標注了 16 個(gè)微步和 1個(gè)整步，說(shuō)明了在一個(gè)全步內被細分為 16 個(gè)微步，通過(guò)控制兩相電流的變化來(lái)實(shí)現微步控制。中間圖示： 這是一個(gè)角度示意圖，展示了  1 個(gè)整步被劃分為 16 個(gè)微步的情況。右側圖示： 展示了微步控制在實(shí)際電機結構中的應用場(chǎng)景，說(shuō)明通過(guò)對兩相線(xiàn)圈電流的精確控制，實(shí)現轉子在更小步距下的精確旋轉。3). 性能優(yōu)勢與局限微步分辨率越高，相電流的理論正弦波形就越平滑。由于在微模式下的行進(jìn)距離與全步操作相比顯著(zhù)減小，瞬態(tài)效應也顯著(zhù)降低。然而，在實(shí)踐中，僅指定正弦設定點(diǎn)不足以獲得正弦相電流。電感器的切換以及其他干擾效應需要進(jìn)一步的措施來(lái)保持非常平穩的運行。1.5 步進(jìn)電機三種模式優(yōu)劣勢（全步，半步，微步）

相關(guān)產(chǎn)品

1. TMC2240 和 TMC5240TMC2240 和 TMC5240 是智能、高性能的 2 相步進(jìn)電機驅動(dòng) IC，集成了運動(dòng)控制器，通過(guò) 8 點(diǎn)運動(dòng)斜坡功能簡(jiǎn)化了系統架構，使用戶(hù)能夠輕松編程所需的位置和運動(dòng)曲線(xiàn)2. TMC2160 和 TMC5160TMC2160 和 TMC5160 是高功率的 2 相步進(jìn)電機驅動(dòng) IC，支持 256 微步分辨率和 MicroPlyer 微步插值。它們利用多種 Trinamic 技術(shù)優(yōu)化驅動(dòng)器性能，適用于從電池供電系統到高壓工業(yè)應用的廣泛場(chǎng)景。3. TMC2300TMC2300 是專(zhuān)為 2 相電池供電步進(jìn)電機設計的低壓驅動(dòng)器，具備 256 微步分辨率以及 CoolStep、StealthChop2、StallGuard4 和 SpreadCycle 等功能。

最后

步進(jìn)電機驅動(dòng)技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域中占據著(zhù)舉足輕重的地位，其從基礎的全步、半步模式發(fā)展到先進(jìn)的微步控制技術(shù)，不斷滿(mǎn)足著(zhù)各行業(yè)對高精度、低噪聲、高效率的需求，無(wú)論是在工業(yè)生產(chǎn)、醫療設備，還是在新興的物聯(lián)網(wǎng)、機器人等領(lǐng)域，都展現出了廣闊的應用前景和巨大的發(fā)展潛力。