步進電機驅動IC基礎知識:類型、用途和工作原理
在本文中，我們將介紹步進電機的基礎知識。您將了解步進電機的工作原理，結構，控制方法，用途和類型，以及其優缺點。
步進電機基礎知識步進電機是一種電動機，其主要特征是其軸通過執行步進（即通過移動固定的度數）來旋轉。由于電機的內部結構，可以獲得此功能，并且只需計算步驟的操作即可知道軸的確切角度位置，而無需傳感器。此功能還使其適用于廣泛的應用。 步進電機工作原理 與所有電動機一樣，步進電動機具有固定部件（定子）和移動部件（轉子）。在定子上，有連接線圈的齒，而轉子要么是永磁體，要么是可變磁阻鐵芯。稍后我們將深入研究不同的轉子結構。圖1顯示了表示電機截面的圖紙，其中轉子是可變磁阻鐵芯。
圖1：步進電機的橫截面
步進電機的基本工作原理如下：通過為一個或多個定子相供電，線圈中的電流產生磁場，轉子與該磁場對齊。通過按順序提供不同的相位，轉子可以旋轉特定量以達到所需的最終位置。圖 2 顯示了工作原理的表示形式。開始時，線圈A通電，轉子與其產生的磁場對齊。當線圈B通電時，轉子順時針旋轉60°以與新磁場對齊。當線圈C通電時，也會發生同樣的情況。在圖片中，定子齒的顏色表示定子繞組產生的磁場的方向。
圖2：步進電機步進
步進電機類型和結構 步進電機的性能 - 無論是在分辨率（或步長），速度和扭矩方面 - 都受到結構細節的影響，同時也可能影響電機的控制方式。事實上，并非所有步進電機都具有相同的內部結構（或結構），因為有不同的轉子和定子配置。
轉子
對于步進電機，基本上有三種類型的轉子：
- 永磁轉子：轉子是與定子電路產生的磁場對齊的永磁體。該解決方案保證了良好的扭矩和制動扭矩。這意味著無論線圈是否通電，電機都會抵抗位置的變化，即使不是很強。與其他類型相比，此解決方案的缺點是速度較低，分辨率較低。圖3顯示了永磁步進電機的一部分。
圖3：永磁步進電機
- 可變磁阻轉子：轉子由鐵芯制成，并具有特定的形狀，使其能夠與磁場對齊（參見圖1和圖2）。使用這種解決方案，更容易達到更高的速度和分辨率，但它產生的扭矩通常較低，并且沒有制動扭矩。
- 混合轉子：這種轉子具有特定的結構，是永磁體和可變磁阻版本的混合體。轉子有兩個帶交替齒的蓋子，并軸向磁化。這種配置使電機具有永磁體和可變磁阻版本的優點，特別是高分辨率，速度和扭矩。這種更高的性能需要更復雜的結構，因此成本更高。圖3顯示了該電機結構的簡化示例。當線圈A通電時，N磁化帽的齒與定子的S磁化齒對齊。同時，由于轉子結構，S磁化齒與定子的N磁化齒對齊。真正的電機具有更復雜的結構，齒數比圖中所示的要多，盡管步進電機的工作原理相同。高齒數使電機能夠實現小步長，低至0.9°。
圖4：混合式步進電機
定子
定子是電機的一部分，負責產生轉子將要對齊的磁場。定子電路的主要特性包括其相數和極對，以及導線配置。相數是獨立線圈的數量，而極對的數量表示每個相位如何占據主齒對。兩相步進電機是最常用的，而三相和五相電機則不太常見（見圖5和圖6）。
圖5：兩相定子繞組(左)，三相定子繞組(右)
圖 6：兩相單極對定子(左)和兩相偶極子對定子(右)。字母顯示A +和A-之間施加正電壓時產生的磁場。
步進電機控制 我們之前已經看到，電機線圈需要以特定的順序通電，以產生轉子將要對齊的磁場。使用幾種設備為線圈提供必要的電壓，從而使電機正常工作。從更靠近電機的設備開始，我們擁有：
晶體管電橋是物理控制電機線圈電氣連接的器件。晶體管可以看作是電控滅弧室，當關閉時，它允許線圈連接到電源，從而允許線圈中的電流流動。每個電機相位需要一個晶體管電橋。
預驅動IC是一種控制晶體管激活的器件，提供所需的電壓和電流，而后者又由MCU控制。
MCU是一種微控制器單元，通常由電機用戶編程，并為預驅動IC生成特定信號，以獲得所需的電機行為。
圖7顯示了步進電機控制方案的簡單表示。預驅動IC和晶體管電橋可以包含在單個器件中，稱為驅動IC。
圖7：電機控制基本方案
步進電機驅動器類型
市場上有不同的步進電機驅動IC，它們展示了特定應用的不同功能。最重要的特征包括輸入接口。最常見的選項是：
- 步進/方向 – 通過在步進引腳上發送脈沖，驅動IC改變其輸出，以便電機將執行步進，其方向由方向引腳上的電平確定。
- 相位/使能 – F或每個定子繞組相位，相位確定電流方向，如果相位通電，則觸發使能。
- PWM – 直接控制低端和高側FET的柵極信號。
步進電機驅動IC的另一個重要特征是，它是否只能控制繞組兩端的電壓，或者同時控制流經繞組的電流：
- 通過電壓控制，驅動IC僅調節繞組兩端的電壓。產生的扭矩和執行步驟的速度僅取決于電機和負載特性。
- 電流控制驅動IC更先進，因為它們調節流經有源線圈的電流，以便更好地控制產生的扭矩，從而控制整個系統的動態行為。
單極/雙極電機
電機的另一個影響控制的特征是定子線圈的排列，這些線圈決定了電流方向是如何變化的。為了實現轉子的運動，不僅需要為線圈通電，還需要控制電流的方向，這決定了線圈本身產生的磁場的方向（見圖8）。 在步進電機中，控制電流方向的問題通過兩種不同的方法解決。
圖8：基于線圈電流方向的磁場方向
在單極步進電機中，其中一根引線連接到線圈的中心點（見圖9）。這允許使用相對簡單的電路和元件來控制電流的方向。中央引線（AM)連接到輸入電壓V在 （請參閱圖 8）。如果 MOSFET 1 處于活動狀態，則電流從 A 流出M到 A+。如果 MOSFET 2處于活動狀態，則電流從 A 流出M到A-，在相反的方向上產生磁場。如上所述，這種方法允許更簡單的驅動電路（只需要兩個半導體），但缺點是一次只使用電機中使用的銅的一半，這意味著對于在線圈中流動的相同電流，如果使用所有銅，磁場的強度是原來的一半。此外，這些電機更難構建，因為必須提供更多的引線作為電機輸入。
圖9：單極步進電機驅動電路
在雙極步進電機中，每個線圈只有兩根引線可用，為了控制方向，必須使用H橋（見圖10）。如圖8所示，如果MOSFET 1和4有源，則電流從A+流向A-，而如果MOSFET 2和3有源，電流從A-流向A+，產生相反方向的磁場。該解決方案需要更復雜的驅動電路，但允許電機達到所用銅量的最大扭矩。
圖10：雙極步進電機驅動電路
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