高效率電機驅(qū)控背景下步進電機如何發(fā)展
電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）步進電機和伺服電機一樣，都是廣泛應(yīng)用在日常生活中的電機。步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或者線位移的執(zhí)行器。通俗一點講，當步進電機驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就會驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)播一個固定的角度，也被稱為脈沖電機。
HB步進電機與PM步進電機
可以把步進電機分為PM永磁式步進電機、VR反應(yīng)式步進電機以及HB混合式步進電機。反應(yīng)式步進電機可以實現(xiàn)很大轉(zhuǎn)矩的輸出但是噪聲和振動很大，沒辦法滿足現(xiàn)在的市場需求，已經(jīng)不太常見，常見的還是以HB混合式和PM永磁式為主。
PM永磁式步進電機通過使用永磁體產(chǎn)生磁場進而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，一般是兩相配置，也有多相數(shù)類型，這一類步進電機的特點是出力大，在動態(tài)性能上表現(xiàn)很出色，但是步距角偏大，不夠精細。
HB混合式步進電機是融合了永磁式以及反應(yīng)式步進電機二者優(yōu)點的產(chǎn)物，現(xiàn)在很多高性能步進電機會走這條技術(shù)路線。HB混合式步進電機在同樣的定子電流下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要大于反應(yīng)式步進電機，動態(tài)性能好且步距角也較小。
混合式步進電機有兩相、三相和五相之分，相數(shù)越多步進角越小，精度越高。兩相的步進角是1.8°，五相的步進角是0.72°。當然，隨著步距角的減小，轉(zhuǎn)矩會稍稍降低，在小型化大轉(zhuǎn)矩上同時實現(xiàn)有難度，不過這不妨礙它廣泛的應(yīng)用。
尤其是混合式步進電機使用VR型電機結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)精細的步距角，并且可以通過與永磁體相結(jié)合來增加轉(zhuǎn)矩，這種步進電機現(xiàn)在在眾多應(yīng)用中都備受青睞。高性能的步進電機步距角誤差小，而且誤差也不會在步間累積，在定位精度和運動可重復(fù)性上很有優(yōu)勢。
微步驅(qū)動與高精度驅(qū)控
步距角，是步進電機的一個關(guān)鍵參數(shù)，步進電機驅(qū)動也圍繞著更好更精細的步距角控制在不斷發(fā)展。
為什么如此執(zhí)著與步距角呢？因為步距角的大小會直接影響到電機運行的平穩(wěn)性和控制的精度。簡而言之，大步距角是犧牲精度來獲得更大的輸出扭矩，較小的步距角才能實現(xiàn)更精細的控制和更高的精度。
步進電機每一步都存在阻尼振動，在低速旋轉(zhuǎn)時阻尼振動會引起振動和噪聲，通過減小步距角可以減少阻尼振動，也就是通過微步驅(qū)動可以降低低速范圍的振動和噪聲。
將整步驅(qū)動的單向驅(qū)動和雙向驅(qū)動交替地結(jié)合在一起，就產(chǎn)生了半步控制，這樣一個電周期內(nèi)的電氣角位置比整步驅(qū)動多了一倍，同樣數(shù)量的脈沖信號下大大提高了控制精度。進而，不斷分割兩相驅(qū)動電流，得到更小的步進增量，就是現(xiàn)在流行的微步驅(qū)動。
這個過程通過PWM調(diào)制繞組電流來完成，將轉(zhuǎn)子定位在整步之間。發(fā)展到現(xiàn)在，電機驅(qū)動幾乎可以為微步指定任何尺寸，步長僅受驅(qū)動繞組電流的DAC和放大器的分辨率限制，1/256甚至1/1024的分辨率現(xiàn)在都已經(jīng)不少見了。
現(xiàn)在為了更高精度的步進電機控制，一體化的閉環(huán)步進電機也不少。反饋機制的引入將原本典型的開環(huán)步在控制精度上大幅提升。在成本低于伺服電機的情況下，閉環(huán)步進電機的精度又遠高于開環(huán)步進電機，主打性價比。
小結(jié)
步進電機在消費電子、家電、汽車領(lǐng)域都有著不少關(guān)鍵應(yīng)用，如ODD、打印機、相機、攝像頭等應(yīng)用。在現(xiàn)在的應(yīng)用中，采用高效率的電機驅(qū)動和控制方法對電機而言非常重要，步進電機的驅(qū)動控制也在不斷優(yōu)化。
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