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圖文介紹步進電機的滿步、半步、微步驅動原理
發布時間：2020-11-16 03:25:13
步進電機有三種驅動模式，即滿步，半步，還有微步驅動。
（1）滿步驅動（Full-step）
滿步驅動，就是一次走一個步距，這是一種常用的驅動方式。
根據通電相數，滿步驅動又分成兩種，一種是單相通電驅動，一種是雙相通電驅動。
為簡單起見，以永磁式步進電機為例來說明，如下圖。
兩相滿步驅動時的線圈通電順序，一般在產品目錄中，供應商用這種表示方法。
單相和雙相通電滿步驅動概念
（2）半步驅動（Half-step）
半步驅動，就是一次只走半個步距。
實現方式是單相和雙相交替通電，原理如下圖。
半步驅動的好處是提高分辨率，但是缺點是扭矩只有滿步驅動的70%，當然，也可以通過優化線圈中電流大小，來提高半步驅動扭矩。
半步驅動：單相雙相交替通電
兩相電機半步驅動：單相和雙相交替通電
單相和雙相交替通電，實現半步驅動的概念。單相通電時，線圈產生磁場，磁鐵因為磁場的吸引力，指向通電的線圈。雙相通電時，因為兩個線圈都產生磁場，所以合成磁場讓轉子處于中間平衡位置。
（3）微步驅動（Microstepping）
因為電流大小不同，將會導致線圈產生的磁場強度不同，從而導致轉子的平衡位置發生變化，這就是微步驅動的原理。
微步驅動原理：A線圈最開始有最大電流，而B線圈此時電流為零，定子指向A線圈。A線圈慢慢減小電流， B線圈慢慢增加電流，因為磁場平衡位置的變化，定子慢步向B線圈轉動。宏觀來看，A線圈中電流變化接近Cos曲線，B線圈電流變化接近Sin曲線，直到A線圈電流減為零，而B線圈電流達到最大值，定子指向B線圈。
微步驅動電流示意圖：電流每一步的變化的大小，決定了微步運動的大小，上圖是1/4，1/8，1/16微步電流變化示意圖
微步驅動電流示意圖
微步運動舉例：在圖1中，A線圈通滿電流，圖2中A線圈通最大電流的0.92倍，而B線圈通最大電流的0.38倍，實現22.5°旋轉。同理，圖3中，A和B線圈同時通最大電流的0.71倍，可以實現45°旋轉。
比如，一個200步的步進電機，如果用滿電流驅動，那么它的步距是1.8°，而如果用一半的電流驅動，那么它的步距將會是0.9°。
當然還可以繼續細分，一般地，步進電機一個步距可以細分256步。
步數越多，可以獲得越平滑的運動，噪聲也越小，不容易失步（丟步），但是代價就是扭矩大大減小。
所謂失步，就是電機沒有按照命令走相應的步數，關于失步，后一小結中，我們專門來了解。
比如，當把一步分成16步時，扭矩僅為保持扭矩的10%左右。
微步驅動保持扭矩和步數的關系
設計時需要留夠余量，比如一般會考慮負載的加減速，運動線的拖拽力，還有步進電機本身的制動扭矩（Detent Torque，由于定子和轉子之間的磁力，產生的扭矩，一般是保持扭矩的5%－20%），摩擦扭矩等。
當微步扭矩超過負載扭矩和摩擦扭矩及制動扭矩之和時，連續的微步才會實現。
有時制動扭矩起正作用，比如當電動機停止時，制動轉矩可能是有益的，因為它會抵消運動中的轉子的動量，因此更高的制動轉矩，將有助于電動機更快地停止。
也就是說，在微步模式下，電機不一定會動，這就會打亂全局精度。
所以，雖然微步可以實現更高的分辨率，但是并不一定能帶來更好的精度。
你可能要問了，既然不一定能提高精度，那么為什么還要有微步驅動模式呢？
其實，微步驅動的主要作用在于減小機械噪聲，減小共振，減小機械傳動結構的磨損，實現更平滑的運動。
有研究表明，只有當載荷非常輕，微細步的扭矩足以驅動負載時，才可以提高精度。
實際上，把每整步細分成無限微步，就是兩相永磁交流電機的運行原理，這個今天就不說了，日后我再開一篇日記來寫吧。
現在，一些生產廠家，生產微步電機的努力方向，就是以犧牲保持扭矩為代價，減小制動扭矩，使得扭矩和位置關系更接近Sin曲線，而扭矩電流曲線更趨向線性。
我感覺這里啰嗦得夠多了。
最后，關于滿步，半步，微步驅動，這里有一張小結圖。
看圖，一下就明白了，還猶豫什么，我保存了。
滿步，半步，微步驅動示意圖
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