如何使用步进电机

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我们周围的世界到处都有马达——汽车、打印机、电脑、洗衣机、电动剃须刀，你能想到的都有。不幸的是，有很多人(包括我在内，直到最近)不知道如果给他们一台发动机并让他们运行它该怎么办。所以我决定要改变这一点。让我们学习运行步进电机!

步进电机是三种主要类型的电机之一:另外两种是直流电机和伺服电机。作为无刷电机，步进电机的中心轴在旋转时不接触任何物体。相反，步进电机使用的电磁铁是同心位于中心轴周围，以诱导它旋转。有些人可能不知道，电磁铁的工作原理是让电流通过绕在“软”磁铁上的导线。这种组合产生一个磁场，诱导中心轴旋转，从而使轴的“齿”与任何被通电的电磁铁的齿对齐。许多步进电机只有两个这样的电磁体，位于90度的距离彼此。

有三种主要的子类型的步进电机是可用的:可变磁阻，永磁体，混合式步进电机。一个变感电机纯粹是利用产生的磁场来引起中心轴旋转。一个永磁体步进电机，不奇怪，一个永磁体在中心轴将适当旋转，使其南北极与电磁铁线，目前是通电的。此外，永磁体步进器在中心轴上没有任何“齿”，而可变电感电机有多个齿，将与通电的电磁铁对齐，形成一个“最小阻力路径”。

混合电动机是这两个电动机的组合。中心轴有两组与两个磁极相对应的齿，这两个磁极将旋转并与被通电的电磁铁的齿适当地对齐。因为混合步进电机有双排齿，这些电机有最小的步长，是最受欢迎的电机类型。

但是如何控制和运行步进电机呢?有两种模式可用于操作步进电机:单极模式和双极模式。单极模式只在正电压范围内工作。正常情况下，这意味着电流只能通过电磁线圈向一个方向驱动，产生一个方向的磁场，这意味着中心轴只能在两个电磁铁之间来回倾斜。

这个潜在的问题是克服的事实，单极步进电机实际上有一个附加的电线连接到两个线圈的中间。这允许电流在两个不同的方向流动，从中间到线圈的一边或到线圈的另一边。这两个方向在“相反”的方向产生磁场，允许磁化的中心轴的齿旋转360度。

双极步进电机也有电流在两个不同的方向通过线圈。而不是使用一个中心抽头，他们使用正和负(双极)电压来诱导电流在两个方向通过线圈。因为电流可以通过整个线圈，而不是在单极模式下线圈的一半，双极步进电机有更多的扭矩来旋转和保持中心轴的位置。

你怎么知道你的步进电机是单极或双极的步进电机仅仅通过看它?在大多数情况下，你看到的马达是两者兼备的。单极和双极只是你可以用来运行步进电机的模式。步进电机不能在任何一种模式下运行的唯一时间是当步进电机只有四根线出来时，对应于两个线圈的两端，没有中心接头线。如果你有超过四根电线(无论是五根、六根，甚至八根)，至少其中一根是中心接入线。你可以通过查找电机的数据表或者用万用表一次测量两根线之间的电阻来确定哪根线是哪根线。如果一根特定的导线总是测量到其他导线报告电阻的一半，那么你就知道这根导线必须在线圈的中间抽头(因此是电阻的一半)。

三种主要driving style的波形图。由Misan2010在维基共享中．

尽管有了这些信息，我们还没有真正学会如何让马达运转。有三种主要的方式(是的，步进电机确实有很多变化)步进电机可以被驱动。这三种驱动风格是全步驱动、半步驱动和微步驱动。全步驱动总是有两个电磁体(或至少两个不同的电流流)在同一时间通电。为了旋转中心轴，其中一股电流被切断，“关闭”电磁铁，而另一股不同的电流开始“打开”另一个电磁铁。这种驱动方式有最大的扭矩，因为两个电磁体总是通电，但也有最大的步长。

半步驱动器类似于全步驱动器，但在通电的一个或两个电磁铁之间切换。一个电磁铁将开始通电，然后第二个将被“打开”。接下来，第一个电磁铁将被“关闭”，而让第二个电磁铁通电。在第二个电磁铁被“打开”的同时，一个新的电流将被启动以激活“第三个”电磁铁。这种驱动风格的结果是一半的步长全步驱动，允许更精确，但也导致更少的扭矩，因为不总是有两个电磁体通电。

正如您可能怀疑的那样，微步是这些驾驶风格中步长最小的。它的工作方式是通过对每个线圈施加一个正弦的可变电压。你能够产生的电压(和电流)增量越小，步长就越小。然而，这也导致了步进电机显示的可变扭矩，这取决于您在步进序列中的位置。

但我们还有一个重要的问题。如果我们使用的是来自chipKIT启动套件的步进电机，它的额定电压为5V，我们如何使用Digilent板像chipKIT uC32它只能在3.3V的电压下工作?

如果我们想让步进电机在单极模式下运行，那么我们需要将来自chipKIT uC32的电压输出从3.3V增加到5V。我们可以通过使用一些运放来做到这一点，但我个人宁愿不要弄乱我需要的所有电阻。一个达林顿晶体管阵列，如“透明国际”的ULN2803，就不会那么乱了。简而言之,一双达林顿晶体管有两个NPN型晶体管安排在这样一种方式,所以,当一个高电压从单片机发送逻辑,晶体管的输出对低压(0 v),画在当前5 v中心抽头线。然而，如果应用低逻辑电压，输出将相反处于高阻抗状态，因为NPN型晶体管将作为一个“开路”。这有效地防止任何电流流过集成电路，因此没有电流将流过步进电机的线圈。由于线圈中没有电流流动，就不会产生磁场，因此中心轴就不会移动。你可以了解更多关于达林顿晶体管的工作原理在这里．

对于双极模式，我们需要一种方法要么产生一个负电压，要么某种方法使电流通过整个线圈的另一个方向流动，因为双极模式要求我们不使用中心抽头导线。在没有外部电源的情况下，没有简单的方法来获得负电压，但我们可以很容易地通过使用h桥得到电流的另一个方向，例如“透明国际”的L293D．h型桥的工作原理是利用MOSFET晶体管它的作用就像一个开关。这些晶体管安排在这样一种方式,当某些开关“打开”,电磁铁的电流将流过一个方向,当一组不同的开关打开(和其他开关是开),目前将在另一个方向流过线圈。你可以从中了解更多关于h桥的工作原理学习模块．

如果你想用你自己的步进电机工作，步进电机，达林顿晶体管阵列，和h桥都可以在chipKIT starter kit．在下面的视频中，你也可以看到这个小步进电机展示了它的全步驱动能力。点击这里查看详情！