步进电机驱动基础 - 全步模式

步进电机驱动技术,包括全步、半步和微步控制模式。 本文介绍全步模式

全步模式

为了更好地理解步进电机的步进行为,我们将评估一个简化的具有一个磁极对的 2 相步进电机模型

简化的带永磁体转子的 2 相步进电机。(图片来源于ADI)

  • 原理 :驱动器向两个线圈通正或负电流,使两相同时通电以实现最大扭矩。通过切换线圈电流方向,可使电机轴按固定步距角旋转,这种换向模式遵循特定序列。

  • 线圈 1 = +I,线圈 2 = +I

  • 线圈 1 = -I,线圈 2 = +I

  • 线圈 1 = -I,线圈 2 = -I

  • 线圈 1 = +I,线圈 2 = -I


相步进电机的全步模式 (图片来源于ADI)

如上图,展示了两相步进电机在全步模式下的四个不同状态。每个状态中,线圈的通电情况与上方电流倍数相对应,并且可以看到转子(图中蓝色和橙色部分)在不同通电状态下的位置变化,直观地展示了全步模式下电机的运行原理。

在第一步时,线圈 1 的电流倍数为 1,线圈 2 的电流倍数也为 1;在第二步时,线圈 1 的电流倍数变为 - 1,线圈 2 的电流倍数仍为 1,以此类推,呈现出周期性的变化。

  • 全步模式 性能优势与局限 :全步模式能实现精确步距、速度控制和高保持扭矩,在高速运行时可最大化扭矩输出。但因其步距较大,会导致电机在运行中产生明显位置跳跃,引发高共振,使电机超过目标位置,从而降低实际施加扭矩,产生振动和噪声。这在一些对精度和稳定性要求较高的应用中可能会带来问题。


全步运行时的过冲和振荡。(图片来源于ADI)

如上图,全步模式呈现出周期性的阶梯状变化。可以看到在每个全步切换时,转子位置会出现明显的过冲(overshoot,即位置超过了预期的稳定位置)和振荡(ringing,即位置在稳定位置附近波动)现象。例如,在从第一步切换到第二步时,转子位置先快速上升超过了第二步的稳定位置,然后在该位置附近振荡一段时间后才逐渐稳定。

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