高效率电机驱控背景下步进电机如何发展

电子发烧友网报道（文/李宁远）步进电机和伺服电机一样，都是广泛应用在日常生活中的电机。步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或者线位移的执行器。通俗一点讲，当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就会驱动步进电机按设定的方向转播一个固定的角度，也被称为脉冲电机。

HB步进电机与PM步进电机

可以把步进电机分为PM永磁式步进电机、VR反应式步进电机以及HB混合式步进电机。反应式步进电机可以实现很大转矩的输出但是噪声和振动很大，没办法满足现在的市场需求，已经不太常见，常见的还是以HB混合式和PM永磁式为主。

PM永磁式步进电机通过使用永磁体产生磁场进而产生转矩，一般是两相配置，也有多相数类型，这一类步进电机的特点是出力大，在动态性能上表现很出色，但是步距角偏大，不够精细。

HB混合式步进电机是融合了永磁式以及反应式步进电机二者优点的产物，现在很多高性能步进电机会走这条技术路线。HB混合式步进电机在同样的定子电流下产生的转矩要大于反应式步进电机，动态性能好且步距角也较小。

混合式步进电机有两相、三相和五相之分，相数越多步进角越小，精度越高。两相的步进角是1.8°，五相的步进角是0.72°。当然，随着步距角的减小，转矩会稍稍降低，在小型化大转矩上同时实现有难度，不过这不妨碍它广泛的应用。

尤其是混合式步进电机使用VR型电机结构来实现精细的步距角，并且可以通过与永磁体相结合来增加转矩，这种步进电机现在在众多应用中都备受青睐。高性能的步进电机步距角误差小，而且误差也不会在步间累积，在定位精度和运动可重复性上很有优势。

微步驱动与高精度驱控

步距角，是步进电机的一个关键参数，步进电机驱动也围绕着更好更精细的步距角控制在不断发展。

为什么如此执着与步距角呢？因为步距角的大小会直接影响到电机运行的平稳性和控制的精度。简而言之，大步距角是牺牲精度来获得更大的输出扭矩，较小的步距角才能实现更精细的控制和更高的精度。

步进电机每一步都存在阻尼振动，在低速旋转时阻尼振动会引起振动和噪声，通过减小步距角可以减少阻尼振动，也就是通过微步驱动可以降低低速范围的振动和噪声。

将整步驱动的单向驱动和双向驱动交替地结合在一起，就产生了半步控制，这样一个电周期内的电气角位置比整步驱动多了一倍，同样数量的脉冲信号下大大提高了控制精度。进而，不断分割两相驱动电流，得到更小的步进增量，就是现在流行的微步驱动。

这个过程通过PWM调制绕组电流来完成，将转子定位在整步之间。发展到现在，电机驱动几乎可以为微步指定任何尺寸，步长仅受驱动绕组电流的DAC和放大器的分辨率限制，1/256甚至1/1024的分辨率现在都已经不少见了。

现在为了更高精度的步进电机控制，一体化的闭环步进电机也不少。反馈机制的引入将原本典型的开环步在控制精度上大幅提升。在成本低于伺服电机的情况下，闭环步进电机的精度又远高于开环步进电机，主打性价比。

小结

步进电机在消费电子、家电、汽车领域都有着不少关键应用，如ODD、打印机、相机、摄像头等应用。在现在的应用中，采用高效率的电机驱动和控制方法对电机而言非常重要，步进电机的驱动控制也在不断优化。