步进电机工作原理与应用解析

步进电机运作奥秘

运作机制：

步进电机转子通常采用永磁材料，当电流通过定子绕组时，会在其中产生一个矢量磁场。此磁场促使转子转动一个特定角度，直至转子的磁场方向与定子磁场方向一致。每当定子的矢量磁场转动一定角度，转子亦跟随转动相应角度。每次接收到一个电脉冲，电机便转动一个角度，实现前进一步。输出的角位移与输入脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。通过改变绕组通电顺序，电机可反向转动。因此，通过控制脉冲数量、频率以及电动机各相绕组的通电顺序，可以精确控制步进电机的旋转。

发热机制：

大多数电机内部包含铁芯和绕组线圈。线圈具有电阻，通电时会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，即所谓的铜损。若电流不是标准直流或正弦波，还会产生谐波损耗。铁芯存在磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，损耗量与材料、电流、频率、电压等因素相关，这称为铁损。皖南电机价格表铜损和铁损都会以发热形式体现，影响电机效率。步进电机注重定位精度和力矩输出，效率相对较低，电流较大，谐波成分高，电流交变频率随转速变化，因此普遍存在发热问题，且情况通常比一般交流电机严重。

步进电机应用领域

步进电机是一种用于控制的特种电机，作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一。随着微电子和计算机技术的进步（驱动器性能提升），步进电机的需求持续增长。由于其运行中无累积误差，步进电机广泛应用于各类自动化控制系统，尤其是开环控制系统。

步进电机类型解析

1、按结构分类

步进电机，又称脉冲电机，主要包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）等。

（1）反应式步进电机：

又称感应式、磁滞式或磁阻式步进电机。定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布大磁极并装有励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽。通电后，通过磁导变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（功率消耗大，电流*高可达20A，驱动电压较高）；步距角小皖南电机（*小可达六分之一度）；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行震荡时间较长；启动和运行频率较高。

（2）永磁式步进电机：

转子通常由永磁材料制成，定子由软磁材料制成，定、转子周边无小齿和槽。通电后，永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（功率消耗小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定保持转矩；启动和运行频率较低。

（3）混合式步进电机：

又称永磁反应式、永磁感应式步进电机，结合了永磁式和反应式的优点。定子与四相反应式步进电机相同（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。一般为两相或四相；需供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（功率消耗相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电机。

2、按工作方式分类

（1）功率式：输出转矩较大，可直接驱动较大负载（一般使用反应式、混合式步进电机）。

（2）伺服式：输出转矩较小，只能驱动较小负载（一般使用永磁式、混合式步进电机）。

六款步进电机驱动芯片推荐

1. L6258EX

意法半导体（ST）公司生产，芯片相对较老，*大16细分。

控制接口：并口。

优点：驱动电流大。

缺点：芯片较老，有停产可能；电路稍微复杂；程序控制稍微复杂。

2. A4988

ALLEGRO公司生产，该公司在步进电机驱动IC方面颇具名气，小封装居多，如QFN/LQFP；在小仪器、功率要求不大时可以使用。A4988官方手册介绍驱动电流可达2A，但实际使用中，以24V供电，1A电流已非常烫，若达到2A电流，估计需要很好的散热系统。A4988支持2、4、8、16细分。

控制接口：step/direction

优点：电路简单；控制简单；价格便宜。安徽皖南电机

缺点：测试使用过程中，总是莫名其妙烧芯片，未找到根本原因，后续产品未再使用；驱动电流小，适合42以下的步进电机。

3. DRV8825

德州仪器（TI）公司生产，模拟器件领域的巨头，电机系列（步进电机、有刷电机、无刷电机等）芯片众多，性能不错。皖南电机价格表DRV8825总体性能与A4988相似，细分支持2、4、8、16、32细分。皖南电机可能与布线或程序控制有关，噪声非常大，后续产品也未使用。

控制接口：step/direction

优点：电路简单，程序控制简单。

缺点：驱动电流小，噪声较大（可能跟PCB布线有关）。

4. TMC246/TMC249

TRINAMIC公司生产，德国公司，专注于电机驱动芯片，德国制造的品质值得信赖。246内置mos管，249外置mos管，两者控制程序完全兼容，只是电路差异较大。适用于要求较高的场合，价格相对较高，同类驱动芯片中价格*高，性能也相对出色。至于效果如何，只有使用者才能知晓！

控制接口：SPI

优点：电路简单；程序控制简单；效率非常高，246内置mos管，发热量小；249外置mos管可驱动大电流电机；噪声低，运动平滑。

缺点：价格高；布线要求高，硬件工程师设计均为4层板。

5. TMC260/TMC2660/TMC262

TRINAMIC公司新推出的系列型号，各方面性能都有提升，如驱动电流更大，细分更高，*大支持256细分（但在普通场合使用意义不大）。若使用TMC系列，建议使用TMC2660，价格相对便宜；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，可只用SPI，相关配置参数只能用SPI。我的使用方法是控制电机用step/direction，参数配置用SPI总线。

优点：驱动电流大，运动平滑（但感觉没有TMC246和249好，可能布线问题？），价格居然比246和249便宜些。

缺点：价格高，布线稍微麻烦。

6. L6470

意法半导体（ST）公司生产的新产品。本人未使用过，同事有在测试，从手册看，功能强大，大电流（峰值电流7A）、内置速度曲线、硬件原点位等，感兴趣的可去测试。