步進電機也叫步進器，它利用電磁學原理，將電能轉換為(wei) 機械能，人們(men) 早在20世紀20年代就開始使用這種電機。隨著嵌入式係統(例如打印機、磁盤驅動器、玩具、雨刷、震動尋呼機、機械手臂和錄像機等)的日益流行，步進電機的使用也開始暴增。不論在工業(ye) 、軍(jun) 事、醫療、汽車還是娛樂(le) 業(ye) 中，隻要需要把某件物體(ti) 從(cong) 一個(ge) 位置移動到另一個(ge) 位置，步進電機就一定能派上用場。步進電機有許多種形狀和尺寸，但不論形狀和尺寸如何，它們(men) 都可以歸為(wei) 兩(liang) 類：可變磁阻步進電機和永磁步進電機。本文重點討論更為(wei) 簡單也更常用的永磁步進電機。

步進電機的構造

如圖1所示，步進電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線圈驅動的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲(si) 叫做螺線管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲(si) 則叫做繞組、線圈、或相。如果線圈中電流的流向如圖1所示，並且我們(men) 從(cong) 電機頂部向下看齒槽的頂部，那麽(me) 電流在繞兩(liang) 個(ge) 齒槽按逆時針流向流動。根據安培定律和右手準則，這樣的電流會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 北極向上的磁場。

現在假設我們(men) 構造一個(ge) 定子上纏繞有兩(liang) 個(ge) 繞組的電機，內(nei) 置一個(ge) 能夠繞中心任意轉動的永久磁鐵，這個(ge) 可旋轉部分叫做轉子。圖2給出了一種簡單的電機，叫做雙相雙極電機，因為(wei) 其定子上有兩(liang) 個(ge) 繞組，而且其轉子有兩(liang) 個(ge) 磁極。如果我們(men) 按圖2a所示方向給繞組1輸送電流，而繞組2中沒有電流流過，那麽(me) 電機轉子的南極就會(hui) 自然地按圖中所示，指向定子磁場的北極。

再假設我們(men) 切斷繞組1中的電流，而按圖2b所示方向給繞組2輸送電流，那麽(me) 定子的磁場就會(hui) 指向左側(ce) ，而轉子也會(hui) 隨之旋轉，與(yu) 定子磁場方向保持一致

接著，我們(men) 再將繞組2的電流切斷，按照圖2c的方向給繞組1輸送電流，注意：這時繞組1中的電流流向與(yu) 圖2a所示方向相反。於(yu) 是定子的磁場北極就會(hui) 指向下，從(cong) 而導致轉子旋轉，其南極也指向下方。

然後我們(men) 又切斷繞組1中的電流，按照圖2d所示方向給繞組2輸送電流，於(yu) 是定子磁場又會(hui) 指向右側(ce) ，從(cong) 而使得轉子旋轉，其南極也指向右側(ce) 。。

最後，我們(men) 再一次切斷繞組2中的電流，並給繞組1輸送如圖2a所示的電流，這樣，轉子又會(hui) 回到原來的位置。

至此，我們(men) 對電機繞組完成了一個(ge) 周期的電激勵，電機轉子旋轉了一整圈。也就是說，電機的電頻率等於(yu) 它轉動的機械頻率。

如果我們(men) 用1秒鍾順序完成了圖2所示的這4個(ge) 步驟，那麽(me) 電機的電頻率就是1Hz。其轉子旋轉了一周，因而其機械頻率也是1Hz。總之，一個(ge) 雙相步進電機的電頻率和機械頻率之間的關(guan) 係可以用下式表示：

fe=fm*P/2 (1)

其中，fe代表電機的電頻率，fm代表其機械頻率，而P則代表電機轉子的等距磁極數。

從(cong) 圖2中我們(men) 還可以看出，每一步操作都會(hui) 使轉子旋轉90°，也就是說，一個(ge) 雙相步進電機每一步操作造成的旋轉度數可由下式表示：

1 step= 180°/P (2)

由等式(2)可知，一個(ge) 雙極電機每動作一次可以旋轉180°/2=90°，這與(yu) 我們(men) 在圖2中看到的情形正好相符。此外，該等式還表明，電機的磁極數越多，步進精度就越高。常見的是磁極數在12和200個(ge) 之間的雙相步進電機，這些電機的步進精度在15°和 0.9°之間。

圖3 給出的例子是一個(ge) 雙相、6極步進電機，其中包含3個(ge) 永久磁鐵，因而有6個(ge) 磁極。第一步，如圖3a所示，我們(men) 給繞組1施加電壓，在定子中產(chan) 生一個(ge) 北極指向其頂部的磁場，於(yu) 是，轉子的南極(圖3a中紅色的“S”一端)轉向了該圖的上方。接著，在圖3b中，我們(men) 給繞組2施加電壓，定子中產(chan) 生一個(ge) 北極指向其左側(ce) 的磁場。於(yu) 是，轉子的一個(ge) 距離最近的南極轉向了圖的左方，即轉子順時針轉動了30°。第三步，在圖3c中，我們(men) 又向繞組1施加一個(ge) 電壓，在定子中產(chan) 生一個(ge) 北極指向圖下方的磁場，從(cong) 而又使轉子順時針旋轉30°到達圖3c所示的位置。而在圖3d中，我們(men) 給繞組2施加電壓，在定子中產(chan) 生一個(ge) 北極指向定子右側(ce) 的磁場，再一次使轉子順時針旋轉30°，到達圖3d所示的位置。最後，我們(men) 再向繞組1施加電壓，產(chan) 生一個(ge) 如圖3a所示的北極指向定子上方的磁場，使得轉子順時針旋轉30°，結束一個(ge) 電周期。如此可以看出，4步電激勵造成了120°的機械旋轉。也就是說，該電機的電頻率是機械頻率的3倍，這一結果符合等式 (1)。此外，我們(men) 從(cong) 圖3和等式(2)也能看出，該電機的轉子每一步旋轉30°。

如果同時向兩(liang) 個(ge) 繞組輸送電流，還能增大電機的扭矩，如圖4所示。這時，電機定子的磁場是兩(liang) 個(ge) 繞組各自產(chan) 生的磁場的矢量和，雖然這一磁場每一次動作仍然隻使電機旋轉90°，就象圖2和圖3中一樣，但因為(wei) 我們(men) 同時激勵兩(liang) 個(ge) 電機繞組，所以此時的磁場比單獨激勵一個(ge) 繞組時更強。由於(yu) 該磁場是兩(liang) 個(ge) 垂直場的矢量和，因此它等於(yu) 單獨每個(ge) 場的2×1.414倍，從(cong) 而電機對其負載施加的扭矩也成正比增大。

電機的激勵順序

既然我們(men) 知道了一係列激勵會(hui) 使步進電機旋轉，接下來就要設計硬件來實現所需的步進序列。一塊能讓電機動起來的硬件(或結合了硬件和軟件的一套設備)就叫做電機驅動器。

從(cong) 圖4中可以看出我們(men) 怎樣激勵雙相電機的繞組才能使電機轉子旋轉，圖中，電機內(nei) 的繞組抽頭分別被標為(wei) 1A、1B、2A和2B。其中，1A和1B是繞組1的兩(liang) 個(ge) 抽頭，2A和2B則是繞組2的兩(liang) 個(ge) 抽頭。

首先，要給腳1B和2B施加一個(ge) 正電壓，並將1A和2A接地。然後，給腳1B和2A施加一個(ge) 正電壓，而將1A和2B接地，這一過程其實取決(jue) 於(yu) 導線繞齒槽纏繞的方向，假設導線纏繞的方向與(yu) 上一節所述相符。依次進行下去，我們(men) 就得到了表1中總結的激勵順序，其中，“1”表示正電壓，“0”表示接地。

電流在電機繞組中有兩(liang) 種可能的流向，這樣的電機就叫做雙極電機和雙極驅動序列。雙極電機通常由一種叫做H橋的電路驅動，圖5給出了連接H橋和步進電機兩(liang) 根抽頭的電路。H橋通過一個(ge) 電阻連接到一個(ge) 電壓固定的直流電源(其幅度可根據電機的要求選取)，然後，該電路再經過4個(ge) 開關(guan) (分別標為(wei) S1、S2、S3和 S4)連接到繞組的兩(liang) 根抽頭。這一電路的分布看起來有點象一個(ge) 大寫(xie) 字母H，因此叫做H橋。

從(cong) 表1中可以看出，要激勵該電機，第一步應將抽頭2A設為(wei) 邏輯0，2B設為(wei) 邏輯1，於(yu) 是，我們(men) 可以閉合開關(guan) S1和S4，並斷開開關(guan) S2和S3。接著，需要將抽頭2A設為(wei) 邏輯1，2B設為(wei) 邏輯0，於(yu) 是，我們(men) 可以閉合S2、S3，並斷開S1和S4。與(yu) 此類似，第三步我們(men) 可以閉合S2、S3並斷開S1和S4，第四步則可以閉合S1、S4並斷開 S2、S3。

對繞組1的激勵方法也不外乎如此，使用一對H橋就能產(chan) 生需要的激勵信號序列。表2所示就是激勵過程中每一步開關(guan) 所在的位置。

注意，如果R=0，而開關(guan) S1和S3又不小心同時閉合，那麽(me) 流經開關(guan) 的電流將達到無窮大。這時，不但開關(guan) 會(hui) 被燒壞，電源也可能損壞，因此電路中使用了一個(ge) 非零阻值的電阻。盡管這個(ge) 電阻會(hui) 帶來一定的功耗，也會(hui) 降低電機驅動器的效率，但它可以提供短路保護。

單極電機及其驅動器

前麵我們(men) 已經討論了雙極步進電機和驅動器。單極電機與(yu) 雙極電機類似，不同的是在單極電機中外部能夠接觸到的隻有每個(ge) 繞組的中心抽頭，如圖6所示。我們(men) 將從(cong) 繞組頂部抽出的抽頭標為(wei) 抽頭B，底部抽出的標為(wei) 抽頭A，中間的為(wei) 抽頭C。

有時我們(men) 會(hui) 遇到一些抽頭沒有標注的電機，如果我們(men) 清楚步進電機的構造，就很容易通過測量抽頭之間的阻值，識別出哪些抽頭屬於(yu) 哪根繞組。不同繞組的抽頭之間阻抗通常為(wei) 無窮大。如果經測量，抽頭A和C之間的阻抗為(wei) 100歐姆，那麽(me) 抽頭B和C之間的阻抗也應是100歐姆，而A和B之間的阻抗為(wei) 200歐姆。200歐姆這一阻抗值就叫做繞組阻抗。

圖7 給出一個(ge) 單極電機的單相驅動電路。從(cong) 中可以看出，當S1閉合而S2斷開時，電流將由右至左流經電機繞組；而當S1斷開，S2閉合時，電流流向變為(wei) 由左至右。因此，我們(men) 僅(jin) 用兩(liang) 個(ge) 開關(guan) 就能改變電流的流向(而在雙極電機中需要4個(ge) 開關(guan) 才能做到)。表3所示為(wei) 單極電機驅動電路中，每一步激勵時開關(guan) 所處的位置。

雖然單極電機的驅動器控製起來相對簡單，但由於(yu) 在電機中使用了中心抽頭，因此它比雙極電機更複雜，而且其價(jia) 格通常比雙極電機貴。此外，由於(yu) 電流隻流經一半的電機繞組，所以單極電機隻能產(chan) 生一半的磁場。

在知道了單極電機和雙極電機的構造原理之後，當我們(men) 遇到一個(ge) 沒有標示抽頭也沒有數據手冊(ce) 的電機時，我們(men) 就能自己推導出抽頭和繞組的關(guan) 係。帶4個(ge) 抽頭的電機就是一個(ge) 雙相雙極電機，我們(men) 可以通過測量導線之間的阻抗來分辨哪兩(liang) 個(ge) 抽頭屬於(yu) 同一個(ge) 繞組。帶6個(ge) 抽頭的電機可能是一個(ge) 雙相單極電機，也可能是一個(ge) 三相雙極電機，具體(ti) 情況可以通過測量導線之間的阻抗來確定。

電機控製

本文前麵討論的電機控製理論可以采用全硬件方案實現，也可以用微控製器或DSP實現。圖8說明了如何用晶體(ti) 管作為(wei) 開關(guan) 來控製雙相單極電機。每個(ge) 晶體(ti) 管的基極都要通過一個(ge) 電阻連接到微控製器的一個(ge) 數字輸出上，阻值可以從(cong) 1到10M歐姆，用於(yu) 限製流入晶體(ti) 管基極的電流。每個(ge) 晶體(ti) 管的發射極均接地，集電極連到電機繞組的4個(ge) 抽頭。電機的中心抽頭均連接到電源電壓的正端。

每個(ge) 晶體(ti) 管的集電極均通過一個(ge) 二極管連接到電壓源，以保護晶體(ti) 管不被旋轉時電機繞組上的感應電流燒壞。轉子旋轉時，電機繞組上會(hui) 出現一個(ge) 感應電壓，如果晶體(ti) 管集電極沒有通過二極管連接到電壓源，感應電壓造成的電流就會(hui) 湧入晶體(ti) 管的集電極。

舉(ju) 個(ge) 例子，假設數字輸出do1為(wei) 高而do2為(wei) 低，於(yu) 是do1會(hui) 使晶體(ti) 管T1導通，電流從(cong) +V流經中心抽頭和T1的基極，然後由T1的發射極輸出。但此時 do2處於(yu) 斷開狀態，因此電流無法流經T2。這樣推理下去，我們(men) 就能將表3改為(wei) 驅動電機所需的微控製器數字輸出的改變順序。

一旦清楚了驅動電機所需的硬件和數字輸出的順序，我們(men) 就可以對最順手的微控製器或DSP編寫(xie) 軟件，實現這些序列。

固件控製

我本人在一塊Microchip PIC16F877上，利用1N4003二極管和2SD1276A達靈頓晶體(ti) 管實現了以上談到的電機控製器。PIC的PortA第0位到第3位用來做數字輸出。電機采用在Jameco購買(mai) 的5V雙相單極電機(Airpax [Thomson]生產(chan) ，型號為(wei) M82101-P1)，並且用同一個(ge) 5V電源為(wei) PIC和電機供電。但在真正應用時，為(wei) 避免給微控製器的電源信號引入噪聲，建議大家還是分別用不同的電源為(wei) 電機和微控製器供電。

列表1給出了控製程序的匯編源代碼，該程序每50毫秒旋轉電機一次。首先，程序會(hui) 將微控製器的數字輸出初始化為(wei) 表4中第一步的值，然後每隔50毫秒(此時間常數由程序中的常量waitTime定義(yi) )按照正確的順序循環輸出數字信號。若需使電機反向旋轉，隻需按與(yu) 表4所示相反的順序輸出數字信號即可。

本人所用的電機為(wei) 24極電機，即每一步輸出可以控製電機旋轉180°/24=7.5°。電機每50毫秒旋轉7.5°，也就是每2.4秒轉一周。如果將常量 waitTime減小一半，電機轉速會(hui) 加快一倍。但因為(wei) 轉子受慣性、摩擦力和其他機械限製，所以電機轉速有一個(ge) 上限，當定子磁場旋轉過快時，轉子的轉速無法跟上，導致電機的旋轉也無法跟上，開始跳動(skipping)。如果這時再降低歐姆aitTime，電機很可能幹脆就停止旋轉。

除了本文重點討論的雙相電機以外，步進電機還有其他類型，如三相步進電機或四相步進電機。另外還有一些雙相步進電機，它們(men) 隻有一個(ge) 中心抽頭，同時連接到兩(liang) 個(ge) 繞組的中心點，這類步進電機外部有5個(ge) 抽頭引出。

同樣，步進電機也不是電機家族中的唯一成員，最古老也最簡單的電機是直流(DC)電機。早期的直流電機使用電刷，現在已經不再流行。如今常見的無刷直流電機，就是利用電子線路代替電刷進行換向的直流電機，這類電機中不存在電刷老化問題，因此其壽命比有刷直流電機長很多。

還有一種感應電機，其工作原理與(yu) 步進電機或直流電機完全不同。直流電機采用的是直流電壓源，而感應電機則采用交流(AC)電壓源，並且步進電機和直流電機中轉子與(yu) 定子磁場的旋轉是同步的，而感應電機中轉子的轉速滯後於(yu) 定子磁場的轉速。

本文小結

本文對步進電機進行了概括性的介紹，更多的細節等待著您的發現。但隻要您理解了本文介紹的電機工作原理，那麽(me) 您就已經完全可以開始設計、維護和調試步進電機的驅動軟、硬件了。