双极性步进电机如何练成“凌波微步”

在如今这个智能时代，步进电机由于其特有的开环位置控制性能在各行各业均有被应用到。各设备在步进电机转动的过程中，对它输出力矩的平滑性有一定的要求。

像云台球机，转动的稳定性将会影响到拍摄图像的质量。这一性能除了和步进电机本体的工艺相关以外，和步进电机的控制方式也是息息相关的。

今天我们所介绍的就是其中的一种控制方式 --- 细分控制。

那么步进电机要如何修炼成细分控制，来精进自己的武艺呢？

PART1何为双极性步进电机？

话说很久以前，电机届有这么一个电机名叫双极性步进电机(从电机控制出发的叫法)。除此之外，他又名两相四线步进电机(从电机本体出发的叫法)，他天生奇特，内有乾坤。

01定子

8个定子上分别绕有两相双极性绕组（见图1），A相绕组绕线从定子1开始绕，依次绕到定子3,5,7上，值得注意的是定子1和5的绕线方向是一致的，定子3和7的绕线方向是一致的，两组绕线方向相反（见图2）。

B相绕组也是以同样的原理进行绕制。每个定子铁芯上带有五齿。

图1：双极性步进电机结构示意图

图2：极性步进电机绕组原理图

02转子

通常转子上贴有轴向充磁的永磁体（见图3），永磁体磁力线在电机本体内形成闭合，由于磁力线和磁阻效应，即使步进电机在不通电的情况下也会拥有一定的锁定力矩（见图4）。

转子上拥有50个齿，和定子齿轮相对起来，由于这样的齿数和相数结构，它拥有1.8度的步进角度（见图5）。步进角度：电气周期完成90度，步进电机转子前进的机械角度。

图3：转子结构示意图

图4：侧面横截面图

图5：1.8度步进角度结构示意图

PART2双极性步进电机的步进模式

为了方便讲解后续的控制方式，将复杂的结构图变成示意图（见图6）。可以认为步进电机的定子和转子都只有一个齿。它使得驱动和其它电机不同，叫做双全桥驱动。它的A相绕组接在第一个全桥驱动上，B相绕组接在第二个全桥驱动上（见图7）。

图6：双极性步进电机简化示意图

图7：双全桥驱动电路图

还不会细分控制的它在电机届还是默默无闻，为了能够在电机届闯出名堂，它刻苦练习，研究不同的控制方式，希望自己的旋转性能日后能在江湖上占得一席之地。

到目前为止，它已经掌握了三种控制方式，分别为单相步进，整步步进，半步步进。这三板斧使得虎虎生威，我们来详细看看。

表1：步进模式表

01第一板斧：单相步进

当A相和B相按照单相步进的模式依次通电的时候，定子磁场会相应地进行变化，转子也会由于极性相吸，转动起来。AB相的通电顺序和转子的转动位置可以看表1的内容。当然看视频效果是最佳的！

简单描述以下单相步进的过程：

当A通电的时候，驱动电流由Q1流向Q4，此时定子A上端为N，下端为S，转子转到位置8。

接下来，B相通电。当B通电的时候，驱动电流由Q5流向Q8，此时定子B左端为S，右端为N，转子转到位置2。

接下来两个状态原理和上面类似，就不多啰嗦了，循环这一通电顺序，转子就开始转动起来。

图8：单相步进AB相电流波形图

02第二板斧：整步步进

和单相步进不同的是，整步步进式AB绕组会同时进行通电。并且也是有四个对应的通电方式和转子电气位置，只不过位置空间在电气空间上和单相步进不一样。根据整部的通电顺序，转子也是能转动起来。具体的过程就不赘述了，想要生动的效果要记得看视频！

图9：整步步进AB相电流波形图

03第三板斧：半步步进

仔细看过表1的读者们肯定已经发现了步进电机步进的秘密！

这个最后一板斧就是将上面两种控制方式进行融合，就有了半步控制，它的电气角度位置更多，电流波形更加细致，转动更加平滑。

但步进电机想靠这三板斧在高手如林的电机届闯出名堂，还远远不够，因此它需要继续苦心修炼。

那么，到底什么是细分控制呢？

细分控制又是怎么对双全桥驱动进行控制的呢？

本期电源小课堂让我们来一探究竟：

细分控制

在上集我们知道，半步步进模式是组合了单相步进和整步步进，从而获得了更多的电气角位置。

那么如果想要获得更多更细的步进电气角度，是不是加入更多的角度位置就可以实现了？其实这就是细分控制的想法。

图1：八细分电气角

这是细分控制中的八细分的例子（见图1），图中可以看到单相步进AàB这一个90度电气角度被等分成了8份，也就是有8个电流位置存在，每个位置的电流都是由A相绕组和B相绕组的电流在空间上矢量合成的，合成的幅值大小为单位1。我们将每个位置的电流分别投影到A相和B相上会获得右边的控制数值表（见表1）。

表1：八细分控制数值表

如果我们需要这个位置的电流，就按照数值表中对应的数值来控制A相和B相的电流，就能实现这一角度位置的电流控制，被控制的A相和B相电流就能合成对应角度的电流矢量。

在八细分的控制下，步进电机的电流会变成类正弦（见图2），A相和B相电流就像走台阶一样，按照每一个合成电流大小的数值走着。如果细分数更多，那么电流波形就更加趋近于正弦。正弦的电流波形将会减小电机输出力矩的波动，在空间上会形成圆形旋转的磁场，步进电机转动的稳定性就会增强。

图2：八细分控制下的A相B相电流波形

那么要如何进行每个电流台阶大小的调节，将电流稳定在这个数值上呢？

PART3电流调节

1通常为了将电流稳定在对应的数值上，会采用 slow decay 和 fast decay 的控制方法，我们取A相其中一段“台阶”来详细看看。图3为A相的电流调节波形图，这是通过控制A相的全桥驱动的四个管子的通断来实现（见图4）。

图3：A相电流调节波形图

图4：A相全桥驱动慢衰 slow decay 过程

当Q1和Q4开通的时候，供电电压U加在A相绕组上，电流开始上升，对应的等效电路中，R和L为等效阻抗，E为转子旋转时，A相绕组切割磁感线产生的反向电动势，反电动势反作用在绕组回路上。一旦电流值达到所设定的“台阶”值时，就需要去减小电流，不然电流会继续增加下去，这将会超过这个“台阶”所设定的值。这个时候就需要用到慢衰 slow decay。

关闭Q1，并打开Q2(忽略死区时间)，此时相当于A相绕组被短路，由于电机感性负载，电流方向不会突变，电流在两个下管形成环流，只有反电动势E作用在回路上，电流受到反向的压降-E并开始下降。如果忽略掉阻值带来的压降，我们可以认为此时电流以-E/L的速度下降。

当电流下降一段时间后，关闭Q2开启Q1，重新让电流开始上升，如此循环，电流就能稳定在这个“台阶”所设定的值上。找元件现货上唯样商城

2那么当电流要进入下一个下降“台阶”的时候，电流需要进一步下降，如果电流下降的速度不够快，就需要比较长的时间，那么慢衰的速度可能是不够，这就需要用到快衰 fast decay 了。（见图5）

图5：A相全桥驱动快衰 fast decay 过程

快衰是在关闭Q1和Q4后，打开Q2和Q3(忽略死区时间)，此时供电电压反向加在A相绕组上，再叠加上同样反向加在绕组上的反电动势E，电流同样因为感性负载不会突变，电流从Q2流向Q3，此时电流将以-(E+U)/L的速度下降，所以电流会比慢衰下降得更快。

当电流降到下一个“台阶”的设定值后，电流调节就可以重新从快衰变成慢衰。这样子合理地去运用慢衰和快衰，被控制的电流可以做到响应既快，纹波又小。我们来看看只用快衰，慢衰，以及结合快衰和慢衰的电流波形。其中，绿色波形为电流波形。（见图6）

图6：不同电流控制下的电流波形图

可以看到只有快衰 fast decay，由于快速下降的电流，当电流需要稳定在平台上的电流纹波会较大；只有慢衰 slow decay，由于较慢的下降速度，当电流需要下到下一个台阶时间较长，导致波形有点畸变。