步進(jìn)電機(jī)基本原理

工作原理：

通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

發(fā)熱原理：

通常見到的各類電機(jī)，內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會(huì)產(chǎn)生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標(biāo)準(zhǔn)的直流或正弦波，還會(huì)產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場(chǎng)中也會(huì)產(chǎn)生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關(guān)，這叫鐵損。銅損和鐵損都會(huì)以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來，從而影響電機(jī)的效率。步進(jìn)電機(jī)一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉(zhuǎn)速而變化，因而步進(jìn)電機(jī)普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機(jī)嚴(yán)重。

步進(jìn)電機(jī)用途

步進(jìn)電機(jī)是一種控制用的特種電機(jī)，作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展（步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器性能提高），步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增。步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中精度沒有積累誤差的特點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)，特別是開環(huán)控制系統(tǒng)。

步進(jìn)電機(jī)分類

1、步進(jìn)電機(jī)結(jié)按構(gòu)分類

步進(jìn)電機(jī)也叫脈沖電機(jī)，包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）等。

（1）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：

也叫感應(yīng)式、磁滯式或磁阻式步進(jìn)電機(jī)。其定子和轉(zhuǎn)子均由軟磁材料制成，定子上均勻分布的大磁極上裝有多相勵(lì)磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊均勻分布小齒和 槽，通電后利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為三、四、五、六相；可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出（消耗功率較大，電流最高可達(dá)20A，驅(qū)動(dòng)電壓較高）；步距角小（最小可做 到六分之一度）；斷電時(shí)無定位轉(zhuǎn)矩；電機(jī)內(nèi)阻尼較小，單步運(yùn)行（指脈沖頻率很低時(shí)）震蕩時(shí)間較長(zhǎng)；啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高。

（2）永磁式步進(jìn)電機(jī)：

通常電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，軟磁材料制成的定子上有多相勵(lì)磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊沒有小齒和槽，通電后利用永磁體與定子電流磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn) 矩。一般為兩相或四相；輸出轉(zhuǎn)矩小（消耗功率較小，電流一般小于2A，驅(qū)動(dòng)電壓12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；斷電時(shí)具有一 定的保持轉(zhuǎn)矩；啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低。

（3）混合式步進(jìn)電機(jī)：

也叫永磁反應(yīng)式、永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。其定子和四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)沒有區(qū)別（但同一相的兩個(gè)磁極相對(duì)，且兩個(gè)磁極 上繞組產(chǎn)生的N、S極性必須相同），轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜（轉(zhuǎn)子內(nèi)部為圓柱形永磁鐵，兩端外套軟磁材料，周邊有小齒和槽）。一般為兩相或四相；須供給正負(fù)脈沖 信號(hào)；輸出轉(zhuǎn)矩較永磁式大（消耗功率相對(duì)較?。?；步距角較永磁式?。ㄒ话銥?.8度）；斷電時(shí)無定位轉(zhuǎn)矩；啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高；是目前發(fā)展較快的一種步進(jìn) 電機(jī)。

2、步進(jìn)電機(jī)按工作方式分

（1）功率式：輸出轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動(dòng)較大負(fù)載（一般使用反應(yīng)式、混合式步進(jìn)電機(jī)）。

（2）伺服式：輸出轉(zhuǎn)矩較小，只能帶動(dòng)較小負(fù)載（一般使用永磁式、混合式步進(jìn)電機(jī)）。

六款步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片

1.L6258EX

意法半導(dǎo)體（ST）公司產(chǎn)，芯片相對(duì)較老，最大16細(xì)分。

控制接口：并口。

優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電流大。

缺點(diǎn)：芯片較老，有停產(chǎn)可能；電路稍微復(fù)雜；程序控制稍微復(fù)雜。

2.A4988

ALLEGRO公司產(chǎn)，此公司做步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC還是挺出名的，小封裝居多，如QFN/LQFP；在小儀器、功率要求不大可以使用。A4988官方手冊(cè)介紹驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到2A，但實(shí)際使用中，以24V供電，1A電流已經(jīng)非常燙，如果達(dá)到2A電流，估計(jì)要很好的散熱系統(tǒng)。A4988支持2、4、8、16細(xì)分。

控制接口：step/direction

優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單；控制簡(jiǎn)單；價(jià)格便宜。

缺點(diǎn)：測(cè)試使用過程，總是莫名其妙燒芯片，未根本找到問題，后面產(chǎn)品沒有再使用；驅(qū)動(dòng)電流小，適合42以下的步進(jìn)電機(jī)。

3.DRV8825

德州儀器（TI）公司產(chǎn)，模擬器件霸主，電機(jī)系列（步進(jìn)電機(jī)、有刷電機(jī)、無刷電機(jī)等）芯片很多，還是不錯(cuò)。DRV8825總體性能和A4988差不多，細(xì)分支持2、4、8、16、32細(xì)分。可能跟布線或者程序控制有關(guān)，噪聲非常大，后面產(chǎn)品也沒有使用。

控制接口：step/direction

優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，程序控制簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電流小，噪聲比較大（可能跟PCB布線有關(guān)）。

4.TMC246/TMC249

TRINAMIC公司產(chǎn)，德國公司，專門做電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，德國佬的東西真心好。246是內(nèi)置mos管，249外置mos管，兩者控制程序完全兼容，只是電路差異比較大。要求高的地方可以考慮，價(jià)格比較貴，同類驅(qū)動(dòng)芯片算是最高的，當(dāng)然性能也基本是，至于好不好用，誰用誰知道！

控制接口：SPI

優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單；程序控制簡(jiǎn)單；效率高非常高，246內(nèi)置mos管，發(fā)熱量小；249外置mos管可驅(qū)動(dòng)大電流電機(jī)；噪聲低，運(yùn)動(dòng)平滑。

缺點(diǎn)：價(jià)格貴；布線要求高，硬件工程師設(shè)計(jì)都是設(shè)計(jì)4層板；

5.TMC260/TMC2660/TMC262

TRINAMIC公司產(chǎn)，該公司的新出的系列型號(hào)，各方面性能都有提高，如驅(qū)動(dòng)電流更大，細(xì)分更高，最大支持256細(xì)分（不過這么高細(xì)分普通場(chǎng)合使用意義不大）等。如果用TMC系列建議用TMC2660，價(jià)格相對(duì)便宜；需要大功率的用TMC262，此款外置mos管，控制程序完全兼容。

控制接口：step/direction及spi，可以只用spi，相關(guān)配置參數(shù)只能用spi。鄙人的使用方法是控制電機(jī)用step/direction，參數(shù)配置用spi總線。

優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電流大，運(yùn)動(dòng)平滑（但感覺沒有TMC246和249好，可能布線問題？），價(jià)格居然比246和249要便宜些。

缺點(diǎn)：價(jià)格貴，布線稍微麻煩。

6.L6470

意法半導(dǎo)體（ST）產(chǎn)，ST新產(chǎn)品。本人沒有用過，同事有在測(cè)試用，從手冊(cè)看，比較強(qiáng)大，大電流（峰值電流7A）、內(nèi)置速度曲線、硬件原點(diǎn)位等，感興趣的可以去測(cè)試。