双极性步进电机（上）：控制模式

步进电机具有独特的开环位置控制性能，这使它在智能时代广受欢迎。为确保步进电机在旋转时输出扭矩的平滑，需要考虑每个器件独特的需求。而电机旋转的稳定性则与其物理结构和控制模式密切相关。 

本文将介绍双极性步进电机及其结构和控制模式。

双极性步进电机的基本组件

步进电机属于直无刷(BLDC) 电机，它按照等长的步进值逐步转动。而双极性步进电机则是每相都拥有一个绕组的步进电机，具体而言，为两相四线步进电机。它由定子和转子两个主要部件组成（见图 1）。 

图1: 双极性步进电机的结构示意图

定子

定子是电机的静止部分。绕组绕在8个定子上，每个定子的磁芯上都有5个齿（见图1）。

A 相的绕组从定子 1 开始，然后依次绕到定子 3、定子 5 和定子 7（见图 2）。 注意，定子1和定子5的绕组方向相同，而定子3和定子7的绕组方向相同。这两组绕组（定子 1 和定子 5，以及定子 3 和定子 7）的绕线方向相反。B相的绕组原理与之相同，其中定子4和定子8为一组，定子2和定子6为一组。 

图2: 双极性步进电机的绕组原理图

转子

通常转子上贴有轴向充磁的永磁体。 图 3 所示为转子的结构。 

图3: 转子结构

图4展示了转子的侧视截面图。 

图4：转子侧视截面图

永磁体的磁力线在电机主体中形成闭合。由于磁力线和磁阻效应，步进电机即使在不通电的情况下也有一定的锁定力矩（见图4）。

根据齿数和相位结构，转子共有50个齿与定子齿轮相对，步进角度为1.8度（见图5）。步进角度定义为当电气周期完成90度时，步进电机转子向前移动的机械角度。 

图5: 1.8°步进角度

步进模式

将双极性步进电机的结构简化可以更好地理解其控制方法（见图6）。 

图 6：双极性步进电机的简化示意图

步进电机的定子和转子可以被看作只有一个齿，这使步进电机的驱动方式不同于其他电机。这种方法称为双全桥驱动，其中 A 相绕组连接到第一个全桥驱动器，而 B 相绕组连接到第二个全桥驱动器（见图 7）。

图 7：双全桥驱动器电路图

双极性步进电机具有三种控制模式：单相步进、整步步进和半步步进（见表 1）。

表1: 步进电机的控制模式

单相步进

当电机按单相步进方式依次驱动A相和B相时，定子磁场发生变化，转子因极性吸引而转动。表1中详细描述了 A 相和 B 相 (AB) 的通电顺序和转子的旋转位置。

单相步进过程具体包括三个步骤，如下所述：

1. A相被驱动时，驱动电流从Q1流向Q4。在此期间，定子 A 的上端在 N，下端在 S，转子转到位置 8（见图 6）。

2. 接下来，B相被驱动，驱动电流从Q5流向Q8。定子 B 的一端在 S，另一端在 N，转子转到位置 2（见图 6）。

3. 在接下来的两个状态中，转子在循环启动顺序后开始旋转。

图 8 显示了单相步进期间 AB 相的电流波形。

图 8：AB 相的单相步进电流波形

整步步进

与单相步进不同，A 相和 B 相绕组在整步模式下将被同时驱动。另外还有四种对应的通电模式和转子电气位置；其位置空间在电气空间上不同于单相步进。 转子可以根据器件的启动顺序旋转。图 9 显示了 AB 相的整步电流波形。 

图 9：整步（AB 相电流波形）

半步步进

在半步模式下，单相和整步步进共同工作，可以提供更多的电气角度位置、更详细的电流波形和更平滑的旋转。

图 10 显示了单相到两相操作的非循环半步模式。 这种模式在整步和半步之间交替生成 8 步序列。 

图 10：非循环半步模式

结语

本文回顾了双极性步进电机的基本组件（定子和转子），及其三种主要的控制模式：单相步进、整步步进和半步步进。在下一篇文章中，我们将讨论双全桥驱动的微步进模式。

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