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步进电机工作原理及驱动方法

1. 什么是步进电机?

       步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。

       对于步进电机,每输入一个脉冲信号,转子就转动一个角度或前进一步。其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比,转速与脉冲频率成正比。因此,步进电动机又称脉冲电动机。

       下面看一个简单的双极电机:

双极电机

图 1 双极电机

       双极步进电机有四根电线和两个线圈。要使其旋转,需要通过线圈发送电流。每根电线都需要能够被高低驱动。以下是如何驱动电流使步进电机旋转。

双极步进电机

图 2 双极步进电机

       要理解为什么这样做,请考虑一个只有四个步骤的简单步进电机。在第一阶段,它将磁体与第一线圈对齐。下一步将磁体旋转90度。通过第一线圈反向发送电流会反转磁体极性。相反的线圈被连接,但相对于中心磁体产生相反的磁场。

步进电机转动

图 3 步进电机转动四个步骤

       当然,大多数步进电机的步数超过4步。你的标准步进电机每转200步。以这种方式旋转电机称为全步进。一旦你完成了全步工作,半步是非常简单的。你可以同时通过两个线圈发送电流,这将使分辨率加倍。

       步进电机驱动器也可以使用微步进,微步进调节通过线圈的电流。典型的电机控制器可以在每一个完整的步骤中执行16个微步骤。一些芯片负责调制电流,但较旧的芯片需要为其驱动的步进电机“调谐”。微步进进一步将整个步进划分为256微步进,使典型的200步进电机变成51200步进电机!微步进还降低了电机的噪音,使其运行更平稳、更高效。

步进电机的半步

图 4 完整步骤1和2之间的半步

2. 如何控制线圈中的电流:

       控制通过绕组的电流的最常见设置是使用所谓的H桥。它是一组四个晶体管,可以将每条导线拉高或拉低。你也可以用MOS管代替晶体管,但布线会有点不同。该图显示了如何通过H桥向任意方向发送电流。你只需要打开路径中的晶体管。

步进电机的电流方向

图 5 线圈中的电流方向

       你必须确保同一侧的两个晶体管不能同时导通。这将通过提供从电源到接地的低电阻路径使电路短路。你还应注意,晶体管可能需要一段时间才能从接通切换到断开。除非你知道自己在做什么,否则不建议快速切换通过线圈的电流。

步进电机控制器

图 6 必须确保同一侧的两个晶体管不能同时导通

       这仍然不是全貌。旋转电机将产生电压。为了保护晶体管,最好放置二极管。

步进电机控制器

图 7 用于保护晶体管的二极管

       这将防止电机产生高压,这可能会破坏晶体管甚至驱动器。如果驱动步进电机的电压高于MCU输出的电压,则需要添加另一个晶体管来控制PNP晶体管。

步进电机控制器

图 8 使用另一个晶体管来控制PNP晶体管

       当你打开额外的NPN晶体管时,它将允许电流从PNP晶体管的基极(引脚1)流出,从而打开它。现在所需要的只是所有NPN晶体管基极上的限流电阻。

步进电机控制器

图 9 NPN晶体管基极加上的限流电阻

       就是这样!该H桥将控制通过其中一个绕组的电流。由于有两个绕组,我们需要将这个电路加倍。

步进电机控制器

图 10 双H桥驱动步进电机

       现在,你可以很好地计算所需的组件。使用双H桥并不是驱动步进电机的唯一方法。你也可以购买步进电机驱动器,它将内置双H桥(尽管驱动器通常使用MOS管和其他技巧)。如果你想减少BOM数量(有时获得更多功能),我建议你看看步进电机驱动器。你需要查看数据表以了解芯片提供的功能。一些芯片只提供晶体管和二极管,而其他芯片则完全控制通过线圈的电流。

3. 微步进:

步进电机控制器

图 11 脉宽调制信号

       微步进包括向晶体管发送脉宽调制信号。这是一种控制电机线圈电流的简单方法。预先选择的PWM值被放置在正弦查找表中。典型地,选择20-40kHz的PWM频率。任何低于20千赫的声音,人类耳朵都能听到。频率保持低于40kHz以提高效率并减少晶体管中的功耗。当PWM信号为高时,电流流过晶体管。当PWM信号低时,电流流过二极管。这是一个非常粗糙的微步进实现,但它给出了它如何工作的一般概念。使用MOS管的电机驱动器可以控制电机电流降低或衰减的速度。驱动器的电流波形更像这样:

步进电机控制器

图 12 流经MOS管电机驱动器的电流

        必须为其驱动的电机手动优化快速衰减周期和慢速衰减周期。一些新芯片会根据其感应到的电流自动调整衰减周期,但旧芯片可能需要优化(或调整)。

本文章来源于得捷电子DigiKey,作者Alan Yang


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