我們在上一篇文章以最常見的兩相8極50齒1.8°步距角的混合式步進(jìn)電機為例講解了步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)動機理，這篇我們來講講步進(jìn)電機的驅(qū)動模式。

兩相步進(jìn)電機，根據(jù)兩相電流的通斷、大小可以分為：單相勵磁全步驅(qū)動、雙相勵磁全步驅(qū)動、混合勵磁半步驅(qū)動，以及細(xì)分驅(qū)動模式。

（1）單相勵磁全步驅(qū)動

其實我們上一篇文章演示步進(jìn)電機驅(qū)動原理就是以單相勵磁全步驅(qū)動模式為案例的，大家可以點擊聯(lián)系查看。在這種模式下，A相和B相交替通電，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，兩相通電的模式如下：

注：A表示A相繞組正向通電，A-表示A相繞組反向通電，B繞組亦然。

（2）混合勵磁半步驅(qū)動

在上面單相勵磁全步驅(qū)動的模式下，我們在每兩步中間插入一個過渡步驟——在接通下一個繞組的同時保持上一個繞組通電(表格中標(biāo)綠的步驟），那么勵磁的模式就變成了如下情形：

兩相同時通電時，相當(dāng)于在原本單相通電的平衡位置中插入了一個新的平衡位置，而根據(jù)受力平衡分析，這個新的平衡位置就在原來兩個連續(xù)平衡位置的正中間，從而創(chuàng)造了一個“半步”。以A>AB>B這個步驟舉例分析轉(zhuǎn)子平衡位置，如圖1-3所示，定子1、3、5、7極為A相，2、4、6、8極為B相。

圖1 A相通電轉(zhuǎn)子平衡位置

圖2 A、B相同時通電轉(zhuǎn)子平衡位置

圖3 B相通電轉(zhuǎn)子平衡位置

可以看到，原本A>B過程，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動了1/4齒，也就是1.8°，這是全步驅(qū)動的情況，在其中插入一步變成A>AB>B后，轉(zhuǎn)子一步轉(zhuǎn)動了1/8齒0.9°，這就是單雙相混合勵磁半步驅(qū)動的情形。

（3）雙相勵磁全步驅(qū)動

緊接上文，我們可以看到在半步驅(qū)動模式下，勵磁順序是單相雙相輪流驅(qū)動的，假如我們將其中單相勵磁的步驟全步刪除惠怎么樣呢？顯然勵磁順序變成了AB>BA->A-B->B-A>AB，如下表所示：

由于單相通電的平衡位置全部去掉，只剩下雙相通電的平衡位置，那么步長重新變?yōu)?.8°，平衡位置在原來單相勵磁的基礎(chǔ)上向轉(zhuǎn)動方向移動了1/8個齒即0.9°。

我們在上一篇視頻中展示了電機低頻轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)子齒跟定子齒的位置關(guān)系，在展示1.8°步長（全步驅(qū)動）時，細(xì)心的觀眾可能會發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子齒和定子齒并沒有完全對齊的時刻（參考圖4），而在0.9°步長時，轉(zhuǎn)子和定子齒是有完美對齊的時刻的，其原因就在于目前主流的全步驅(qū)動都是采用的雙相勵磁的方式。

圖4. 全步驅(qū)動(左）時轉(zhuǎn)子齒和定子齒錯開0.9°而半步驅(qū)動（右）時則能對齊

（4）細(xì)分驅(qū)動

從上文中半步驅(qū)動的情形中可以看出，通過在兩個單相勵磁的步驟中間插入一個兩相勵磁（同等電流），就可以產(chǎn)生一個正好恰好位于中間的平衡位置，從而將步長一分為二變成0.9°。那么如果我們進(jìn)一步調(diào)整兩相的電流大小，理論上可以產(chǎn)生任意的角度分割，而這就是細(xì)分的原理。對于50齒的轉(zhuǎn)子，其實是50對NS極交替排布，每對相鄰的NS齒所占的機械角度是7.2°，對映的電角度是360°，那么對于單相勵磁驅(qū)動，每次換相轉(zhuǎn)動的1.8°對應(yīng)的是90°電角度，因此A、B兩相的電流相位偏差正好是90度。

在一個步距角1.8°的跨度內(nèi)，調(diào)節(jié)兩相電流的大小是如何對步長進(jìn)行細(xì)分的，可以參考圖5的示意。

圖5 兩相步進(jìn)電機一個步距角內(nèi)的細(xì)分原理示意圖

要讓轉(zhuǎn)子在一個步距角內(nèi)的任意角度平衡，只需要轉(zhuǎn)子受到兩相繞組的力矩相等即可，即TA=TB

而TA=C*KiA*sinθ

TB=C*KiB*cosθ

要TA=TB,只需要iA=Icosθ，iB=Isinθ即可，其中I為輸入電流。

因此，若要進(jìn)行二倍的細(xì)分，即步長為0.9°，相應(yīng)的θ為45°，那么此時iA=iB=0.71*I。

若要進(jìn)行4倍細(xì)分，相應(yīng)的θ為22.5°，那么iA=0.92*I，iB=0.38*I。

以此類推。

而單相勵磁驅(qū)動的情形其實也可以看成一種特殊的細(xì)分，即θ=0時的細(xì)分，這時iA=I，iB=0

以4倍細(xì)分為例，一個步距角內(nèi)，位移角度和A、B兩相的電流大小可以總結(jié)為下表：

按照這種方式，可以繼續(xù)8倍細(xì)分、16倍細(xì)分，常見的驅(qū)動器可以做到256倍細(xì)分，也就是每步1.8°/256=0.007°。

以上說明了細(xì)分驅(qū)動的原理，下面我們說一下細(xì)分驅(qū)動有哪些作用。

首先細(xì)分可以顯著降低振動和噪音。由于經(jīng)過細(xì)分后電流變化相對平滑，避免了整步驅(qū)動時磁場的劇烈變化，從而大大減少了電機的振動和運行噪音。這是細(xì)分驅(qū)動最突出的優(yōu)點。在低速運行時，細(xì)分驅(qū)動可以將一個大的整步細(xì)分成小步，從而減小了運動的頓挫感，是低速運動更平滑。

其次，細(xì)分可以減少共振現(xiàn)象。步進(jìn)電機在整步或者半步運行時，在某些速度下容易產(chǎn)生共振，導(dǎo)致失步或噪音。細(xì)分驅(qū)動平滑了運動，有效抑制了共振。

最后，細(xì)分可以提高步距分辨率。實現(xiàn)了比電機固有步距角小得多的步進(jìn)，運動更平滑。

那么增加了細(xì)分度是否意味著更高的精度呢？答案是否定的，因為步進(jìn)電機的精度始終由其機械結(jié)構(gòu)決定（例如1.8°±5%），無法由細(xì)分繼續(xù)提高精度。細(xì)分操作只是一種插值操作，通過電流大小的控制將固有的步距角進(jìn)行人為的劃分，而這種劃分并不能提高精度。打個比方，步進(jìn)電機固有的步距角就像一個個等距的大臺階，人在登臺階的過程中每一步都要費力攀爬，身體的振動比較大。而細(xì)分的作用就像我們在大臺階中間又墊了一些小階梯，把臺階分成了更小的臺階，這樣人在登臺階的過程中每步步幅變小，身體振動也減小了，運動也更加連貫了，然而這些小臺階并不能準(zhǔn)確定位，只有踏上原本臺階面時才有準(zhǔn)確的定位（圖6）。

圖6 爬臺階的比喻，整步驅(qū)動（左）和細(xì)分驅(qū)動（右）

本篇講解了步進(jìn)電機主流的驅(qū)動模式以及細(xì)分驅(qū)動的原理，后面我們再找機會講一講控制步進(jìn)電機各相電流大小、通斷的核心——驅(qū)動器的原理。

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