原创 步进电机微步驱动的工作原理

步进电机可以通过被称为“微步”的驱动方法来实现更精细的步距角控制。在本文中将介绍其工作原理。

在上一篇文章“步进电机的基本旋转原理”中，有一个两相双极线圈逐相励磁的示例。在该示例中，按步（使电流流经一组线圈中的一个而不流经另一个线圈）介绍了步进电机每旋转90°的原理。而微步驱动则可以使步进电机按照更精细的步距角旋转。

步进电机的微步驱动有优点主要有两个：一个是可以控制微小角度的位置。另一个是可以降低低速范围内的振动和噪声。步进电机在每一步都伴随着阻尼振动，最终停止在所定位置。也就是说，相对于停止位置经过多次向前过头和后退过头后最终完全停止。如果步进电机低速旋转，则这种阻尼振动可能会引起振动和噪声。通过减小步距角可以减少阻尼振动，通过微步驱动可以降低低速范围的振动和噪声。

接下来使用下图来介绍步进电机微步驱动的工作原理。该图是两相双极结构，按照简单的线圈切换，步距角应该为90°，但下图是将其均分为四的1/4微步驱动示例。当使电机按90°的1/4 = 22.5°旋转时，各线圈的电流和磁场如①～⑤的顺序所示。

• ①
• ・使电流从线圈1的左侧流入，从线圈1的右侧流出。
• ・勿使电流流过线圈2。
• ・此时，左线圈1的内侧变为N，右线圈1的内侧变为S。
• ・中间的永磁体* 被线圈1的磁场吸引，变为左侧S和右侧N的状态并停止。
• ・假设当线圈电流为Io时，产生的磁场大小为M0。
  * 为了避免图片过于繁杂，未在①～⑤的图中表现出来，具体请参考右图。

• ②
• ・若要使之从①顺时针旋转22.5°（90°的1/4），需要保持磁场强度M0并产生使永磁体在相应位置停止的磁场。
• ・要实现这个目标，只要使线圈1产生M0×cos（22.5°）≒M0×0.924的磁场，使线圈2产生M0×sin（22.5°）≒M0×0.383的磁场即可。
• ・为此，需要将线圈1的电流控制为Io×cos（22.5°）≒Io×0.924，将线圈2的电流控制为Io×sin（22.5°）≒Io×0.383。

• ③
• ・若要再向前旋转22.5°（即从①顺时针旋转45°），需要产生相应的磁场M0。
• ・要实现这个目标，只要使线圈1产生M0×cos（45°）≒M0×0.707的磁场，使线圈2产生M0×sin（45°）≒M0×0.707的磁场即可。
• ・为此，需要将线圈1的电流控制为Io×cos（45°）≒Io×0. 707，将线圈2的电流控制为Io×sin（45°）≒Io×0.707。

• ④
• ・若要再向前旋转22.5°（即从①向前旋转67.5°），同样需要产生相应的M0。
• ・要实现这个目标，只要使线圈1产生M0×cos（67.5°）≒M0×0.383的磁场，使线圈2产生M0×sin（67.5°）≒M0×0.924的磁场即可。
• ・为此，需要将线圈1的电流控制为Io×cos（67.5°）≒Io×0.383，将线圈2的电流控制为Io×sin（67.5°）≒Io×0.924。

• ⑤
• ・若要再向前旋转22.5°（即从①旋转90°），需要使电流Io通过线圈2，并使线圈1中的电流为0。

如上所述，磁场的大小恒定、根据角度控制流过各线圈的电流来形成磁场、并通过任意步距使转子旋转和停止的工作称为“微步驱动工作”。

该图是将90°均分为四的1/4步进的步进电机的驱动示例，不过目前已经可以实现1/32步进驱动。如前所述，步进电机通过微步驱动可进行微小角度位置控制并减少噪声和振动。