步進(jìn)電機已經(jīng)滲透入我們生活的方方面面，本文介紹了一些重要的步進(jìn)電機相關(guān)技術(shù)，為開(kāi)發(fā)人員基本了解步進(jìn)電機的工作原理提供了足夠的信息，同時(shí)也介紹了用微控制器或數字信號處理器控制步進(jìn)電機的方法。

　　步進(jìn)電機也叫步進(jìn)器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉換為機械能，人們早在20世紀20年代就開(kāi)始使用這種電機。隨著(zhù)嵌入式系統(例如打印機、磁盤(pán)驅動(dòng)器、玩具、雨刷、震動(dòng)尋呼機、機械手臂和錄像機等)的日益流行，步進(jìn)電機的使用也開(kāi)始暴增。

　　不論在工業(yè)、軍事、醫療、汽車(chē)還是娛樂(lè )業(yè)中，只要需要把某件物體從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，步進(jìn)電機就一定能派上用場(chǎng)。步進(jìn)電機有許多種形狀和尺寸，但不論形狀和尺寸如何，它們都可以歸為兩類(lèi)：可變磁阻步進(jìn)電機和永磁步進(jìn)電機。本文重點(diǎn)討論更為簡(jiǎn)單也更常用的永磁步進(jìn)電機。

　　步進(jìn)電機的構造

　　如圖1所示，步進(jìn)電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線(xiàn)圈驅動(dòng)的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線(xiàn)管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線(xiàn)圈、或相。如果線(xiàn)圈中電流的流向如圖1所示，并且我們從電機頂部向下看齒槽的頂部，那么電流在繞兩個(gè)齒槽按逆時(shí)針流向流動(dòng)。根據安培定律和右手準則，這樣的電流會(huì )產(chǎn)生一個(gè)北極向上的磁場(chǎng)。

　　現在假設我們構造一個(gè)定子上纏繞有兩個(gè)繞組的電機，內置一個(gè)能夠繞中心任意轉動(dòng)的永久磁鐵，這個(gè)可旋轉部分叫做轉子。圖2給出了一種簡(jiǎn)單的電機，叫做雙相雙極電機，因為其定子上有兩個(gè)繞組，而且其轉子有兩個(gè)磁極。如果我們按圖2a所示方向給繞組1輸送電流，而繞組2中沒(méi)有電流流過(guò)，那么電機轉子的南極就會(huì )自然地按圖中所示，指向定子磁場(chǎng)的北極。

　　再假設我們切斷繞組1中的電流，而按圖2b所示方向給繞組2輸送電流，那么定子的磁場(chǎng)就會(huì )指向左側，而轉子也會(huì )隨之旋轉，與定子磁場(chǎng)方向保持一致。

　　接著(zhù)，我們再將繞組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(shí)繞組1中的電流流向與圖2a所示方向相反。于是定子的磁場(chǎng)北極就會(huì )指向下，從而導致轉子旋轉，其南極也指向下方。

　　然后我們又切斷繞組1中的電流，按照圖2d所示方向給繞組2輸送電流，于是定子磁場(chǎng)又會(huì )指向右側，從而使得轉子旋轉，其南極也指向右側。

　　最后，我們再一次切斷繞組2中的電流，并給繞組1輸送如圖2a所示的電流，這樣，轉子又會(huì )回到原來(lái)的位置。

　　至此，我們對電機繞組完成了一個(gè)周期的電激勵，電機轉子旋轉了一整圈。也就是說(shuō)，電機的電頻率等于它轉動(dòng)的機械頻率。

　　如果我們用1秒鐘順序完成了圖2所示的這4個(gè)步驟，那么電機的電頻率就是1Hz。其轉子旋轉了一周，因而其機械頻率也是1Hz�？傊�，一個(gè)雙相步進(jìn)電機的電頻率和機械頻率之間的關(guān)系可以用下式表示：

　　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。

　　從圖2中我們還可以看出，每一步操作都會(huì )使轉子旋轉90°，也就是說(shuō)，一個(gè)雙相步進(jìn)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(gè)雙極電機每動(dòng)作一次可以旋轉180°/2=90°，這與我們在圖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(jìn)精度就越高。常見(jiàn)的是磁極數在12和200個(gè)之間的雙相步進(jìn)電機，這些電機的步進(jìn)精度在15°和 0.9°之間。

　　圖3給出的例子是一個(gè)雙相、6極步進(jìn)電機，其中包含3個(gè)永久磁鐵，因而有6個(gè)磁極。第一步，如圖3a所示，我們給繞組1施加電壓，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向其頂部的磁場(chǎng)，于是，轉子的南極(圖3a中紅色的“S”一端)轉向了該圖的上方。接著(zhù)，在圖3b中，我們給繞組2施加電壓，定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向其左側的磁場(chǎng)。

　　于是，轉子的一個(gè)距離最近的南極轉向了圖的左方，即轉子順時(shí)針轉動(dòng)了30°。第三步，在圖3c中，我們又向繞組1施加一個(gè)電壓，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向圖下方的磁場(chǎng)，從而又使轉子順時(shí)針旋轉30°到達圖3c所示的位置。而在圖3d中，我們給繞組2施加電壓，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向定子右側的磁場(chǎng)，再一次使轉子順時(shí)針旋轉30°，到達圖3d所示的位置。

　　最后，我們再向繞組1施加電壓，產(chǎn)生一個(gè)如圖3a所示的北極指向定子上方的磁場(chǎng)，使得轉子順時(shí)針旋轉30°，結束一個(gè)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(shuō)，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，我們從圖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(shí)向兩個(gè)繞組輸送電流，還能增大電機的扭矩，如圖4所示。這時(shí)，電機定子的磁場(chǎng)是兩個(gè)繞組各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)的矢量和，雖然這一磁場(chǎng)每一次動(dòng)作仍然只使電機旋轉90°，就象圖2和圖3中一樣，但因為我們同時(shí)激勵兩個(gè)電機繞組，所以此時(shí)的磁場(chǎng)比單獨激勵一個(gè)繞組時(shí)更強。由于該磁場(chǎng)是兩個(gè)垂直場(chǎng)的矢量和，因此它等于單獨每個(gè)場(chǎng)的2×1.414倍，從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

　　既然我們知道了一系列激勵會(huì )使步進(jìn)電機旋轉，接下來(lái)就要設計硬件來(lái)實(shí)現所需的步進(jìn)序列。一塊能讓電機動(dòng)起來(lái)的硬件(或結合了硬件和軟件的一套設備)就叫做電機驅動(dòng)器。

　　從圖4中可以看出我們怎樣激勵雙相電機的繞組才能使電機轉子旋轉，圖中，電機內的繞組抽頭分別被標為1A、1B、2A和2B。其中，1A和1B是繞組1的兩個(gè)抽頭，2A和2B則是繞組2的兩個(gè)抽頭。

　　首先，要給腳1B和2B施加一個(gè)正電壓，并將1A和2A接地。然后，給腳1B和2A施加一個(gè)正電壓，而將1A和2B接地，這一過(guò)程其實(shí)取決于導線(xiàn)繞齒槽纏繞的方向，假設導線(xiàn)纏繞的方向與上一節所述相符。依次進(jìn)行下去，我們就得到了表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種可能的流向，這樣的電機就叫做雙極電機和雙極驅動(dòng)序列。雙極電機通常由一種叫做H橋的電路驅動(dòng)，圖5給出了連接H橋和步進(jìn)電機兩根抽頭的電路。

　　H橋通過(guò)一個(gè)電阻連接到一個(gè)電壓固定的直流電源(其幅度可根據電機的要求選取)，然后，該電路再經(jīng)過(guò)4個(gè)開(kāi)關(guān)(分別標為S1、S2、S3和S4)連接到繞組的兩根抽頭。這一電路的分布看起來(lái)有點(diǎn)象一個(gè)大寫(xiě)字母H，因此叫做H橋。

　　從表1中可以看出，要激勵該電機，第一步應將抽頭2A設為邏輯0，2B設為邏輯1，于是，我們可以閉合開(kāi)關(guān)S1和S4，并斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2和S3。接著(zhù)，需要將抽頭2A設為邏輯1，2B設為邏輯0，于是，我們可以閉合S2、S3，并斷開(kāi)S1和S4。與此類(lèi)似，第三步我們可以閉合S2、S3并斷開(kāi)S1和S4，第四步則可以閉合S1、S4并斷開(kāi)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(chǎn)生需要的激勵信號序列。表2所示就是激勵過(guò)程中每一步開(kāi)關(guān)所在的位置。

　　注意，如果R=0，而開(kāi)關(guān)S1和S3又不小心同時(shí)閉合，那么流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流將達到無(wú)窮大。這時(shí)，不但開(kāi)關(guān)會(huì )被燒壞，電源也可能損壞，因此電路中使用了一個(gè)非零阻值的電阻。盡管這個(gè)電阻會(huì )帶來(lái)一定的功耗，也會(huì )降低電機驅動(dòng)器的效率，但它可以提供短路保護。

　　單極電機及其驅動(dòng)器

　　前面我們已經(jīng)討論了雙極步進(jìn)電機和驅動(dòng)器。單極電機與雙極電機類(lèi)似，不同的是在單極電機中外部能夠接觸到的只有每個(gè)繞組的中心抽頭，如圖6所示。我們將從繞組頂部抽出的抽頭標為抽頭B，底部抽出的標為抽頭A，中間的為抽頭C。

　　有時(shí)我們會(huì )遇到一些抽頭沒(méi)有標注的電機，如果我們清楚步進(jìn)電機的構造，就很容易通過(guò)測量抽頭之間的阻值，識別出哪些抽頭屬于哪根繞組。不同繞組的抽頭之間阻抗通常為無(wú)窮大。如果經(jīng)測量，抽頭A和C之間的阻抗為100歐姆，那么抽頭B和C之間的阻抗也應是100歐姆，而A和B之間的阻抗為200歐姆。200歐姆這一阻抗值就叫做繞組阻抗。

　　給出一個(gè)單極電機的單相驅動(dòng)電路。從中可以看出，當S1閉合而S2斷開(kāi)時(shí)，電流將由右至左流經(jīng)電機繞組；而當S1斷開(kāi)，S2閉合時(shí)，電流流向變?yōu)橛勺笾劣�。因此，我們僅用兩個(gè)開(kāi)關(guān)就能改變電流的流向(而在雙極電機中需要4個(gè)開(kāi)關(guān)才能做到)。表3所示為單極電機驅動(dòng)電路中，每一步激勵時(shí)開(kāi)關(guān)所處的位置。

　　雖然單極電機的驅動(dòng)器控制起來(lái)相對簡(jiǎn)單，但由于在電機中使用了中心抽頭，因此它比雙極電機更復雜，而且其價(jià)格通常比雙極電機貴。此外，由于電流只流經(jīng)一半的電機繞組，所以單極電機只能產(chǎn)生一半的磁場(chǎng)。

　　在知道了單極電機和雙極電機的構造原理之后，當我們遇到一個(gè)沒(méi)有標示抽頭也沒(méi)有數據手冊的電機時(shí)，我們就能自己推導出抽頭和繞組的關(guān)系。帶4個(gè)抽頭的電機就是一個(gè)雙相雙極電機，我們可以通過(guò)測量導線(xiàn)之間的阻抗來(lái)分辨哪兩個(gè)抽頭屬于同一個(gè)繞組。帶6個(gè)抽頭的電機可能是一個(gè)雙相單極電機，也可能是一個(gè)三相雙極電機，具體情況可以通過(guò)測量導線(xiàn)之間的阻抗來(lái)確定。

　　電機控制

　　本文前面討論的電機控制理論可以采用全硬件方案實(shí)現，也可以用微控制器或DSP實(shí)現。圖8說(shuō)明了如何用晶體管作為開(kāi)關(guān)來(lái)控制雙相單極電機。每個(gè)晶體管的基極都要通過(guò)一個(gè)電阻連接到微控制器的一個(gè)數字輸出上，阻值可以從1到10M歐姆，用于限制流入晶體管基極的電流。每個(gè)晶體管的發(fā)射極均接地，集電極連到電機繞組的4個(gè)抽頭。電機的中心抽頭均連接到電源電壓的正端。

　　每個(gè)晶體管的集電極均通過(guò)一個(gè)二極管連接到電壓源，以保護晶體管不被旋轉時(shí)電機繞組上的感應電流燒壞。轉子旋轉時(shí)，電機繞組上會(huì )出現一個(gè)感應電壓，如果晶體管集電極沒(méi)有通過(guò)二極管連接到電壓源，感應電壓造成的電流就會(huì )涌入晶體管的集電極。

　　舉個(gè)例子，假設數字輸出do1為高而do2為低，于是do1會(huì )使晶體管T1導通，電流從+V流經(jīng)中心抽頭和T1的基極，然后由T1的發(fā)射極輸出。但此時(shí)do2處于斷開(kāi)狀態(tài)，因此電流無(wú)法流經(jīng)T2。這樣推理下去，我們就能將表3改為驅動(dòng)電機所需的微控制器數字輸出的改變順序。

　　一旦清楚了驅動(dòng)電機所需的硬件和數字輸出的順序，我們就可以對最順手的微控制器或DSP編寫(xiě)軟件，實(shí)現這些序列。

　　固件控制

　　我本人在一塊Microchip PIC16F877上，利用1N4003二極管和2SD1276A達靈頓晶體管實(shí)現了以上談到的電機控制器。PIC的PortA第0位到第3位用來(lái)做數字輸出。電機采用在Jameco購買(mǎi)的5V雙相單極電機(Airpax [Thomson]生產(chǎn)，型號為M82101-P1)，并且用同一個(gè)5V電源為PIC和電機供電。但在真正應用時(shí)，為避免給微控制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電機和微控制器供電。

　　列表1給出了控制程序的匯編源代碼，該程序每50毫秒旋轉電機一次。首先，程序會(huì )將微控制器的數字輸出初始化為表4中第一步的值，然后每隔50毫秒(此時(shí)間常數由程序中的常量waitTime定義)按照正確的順序循環(huán)輸出數字信號。若需使電機反向旋轉，只需按與表4所示相反的順序輸出數字信號即可。

　　筆者所用的電機為24極電機，即每一步輸出可以控制電機旋轉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(huì )加快一倍。但因為轉子受慣性、摩擦力和其他機械限制，所以電機轉速有一個(gè)上限，當定子磁場(chǎng)旋轉過(guò)快時(shí)，轉子的轉速無(wú)法跟上，導致電機的旋轉也無(wú)法跟上，開(kāi)始跳動(dòng)(skipping)。如果這時(shí)再降低歐姆aitTime，電機很可能干脆就停止旋轉。

　　除了本文重點(diǎn)討論的雙相電機以外，步進(jìn)電機還有其他類(lèi)型，如三相步進(jìn)電機或四相步進(jìn)電機。另外還有一些雙相步進(jìn)電機，它們只有一個(gè)中心抽頭，同時(shí)連接到兩個(gè)繞組的中心點(diǎn)，這類(lèi)步進(jìn)電機外部有5個(gè)抽頭引出。

　　同樣，步進(jìn)電機也不是電機家族中的唯一成員，最古老也最簡(jiǎn)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(jīng)不再流行。如今常見(jiàn)的無(wú)刷直流電機，就是利用電子線(xiàn)路代替電刷進(jìn)行換向的直流電機，這類(lèi)電機中不存在電刷老化問(wèn)題，因此其壽命比有刷直流電機長(cháng)很多。

　　還有一種感應電機，其工作原理與步進(jìn)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，并且步進(jìn)電機和直流電機中轉子與定子磁場(chǎng)的旋轉是同步的，而感應電機中轉子的轉速滯后于定子磁場(chǎng)的轉速。