https://techclass.rohm.com.cn/ Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 Powered by © 2022 ROHM Co., Ltd. TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 － 目录 － 前言 .................................................................................................................................................................. 1 1. 什么是步进电机？ ......................................................................................................................................... 1 2. 步进电机的结构（两相双极） ....................................................................................................................... 1 3. 步进电机的基本工作原理（1 相励磁） ......................................................................................................... 2 4. 步进电机的微步驱动工作原理 ....................................................................................................................... 3 5. 混合式步进电机 ........................................................................................................................................... 4 5.1 混合式步进电机的结构 ............................................................................................................... 4 5.2 混合式步进电机的工作原理 ........................................................................................................ 5 6. 步进电机的基本特性 .................................................................................................................................... 6 7. 步进电机的接线方法 .................................................................................................................................... 7 7.1 双极接线 ..................................................................................................................................... 7 7.2 单极接线 ..................................................................................................................................... 7 8. 两相双极步进电机的驱动 ............................................................................................................................. 7 8.1 驱动电路 ..................................................................................................................................... 7 8.2 驱动波形 ..................................................................................................................................... 8 ・2 相励磁（Slow Decay 时） ........................................................................................... 8 ・1-2 相励磁（2 相时全转矩，Slow Decay 时） ............................................................... 9 ・1-2 相励磁（2 相时转矩＝1 相时转矩，Slow Decay 时） ............................................. 9 ・1/4 步励磁（Slow Decay 时） ...................................................................................... 10 8.3 什么是 Decay（衰减）? ........................................................................................................... 10 8.3.1 Slow Decay（慢速衰减）和 Fast Decay（快速衰减）的差异 ................................ 11 8.3.2 Decay 方法的差异与步进电机驱动的关系 .............................................................. 11 8.3.3 什么是 Mix Decay（混合衰减）? ........................................................................... 12 9. 两相单极步进电机的驱动 ........................................................................................................................... 13 9.1 驱动电路 ................................................................................................................................... 13 9.2 2 相励磁的 PWM 驱动波形 ........................................................................................................ 13 9.3 2 相励磁的 PWM 瞬态工作 ........................................................................................................ 13 © 2022 ROHM Co., Ltd. TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 10. 总结 ......................................................................................................................................................... 16 ・步进电机的驱动方式与特点 ......................................................................................................... 16 ・双极步进电机的驱动波形 ............................................................................................................. 16 ・步进电机的优点和缺点示例 ......................................................................................................... 17 ・步进电机的应用示例 .................................................................................................................... 17 修订记录 ......................................................................................................................................................... 18 注意事项 ......................................................................................................................................................... 19 © 2022 ROHM Co., Ltd. TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 前言 图 2 为步进电机的结构示例。与外观示例一样，也是混合 步进电机适用于光驱、扫描仪、打印机、数码相机、智能 式和永磁式电机的示例。 手机的相机等很多设备，还有其他很多应用离不开步进电 机。 本手册将介绍步进电机及其驱动方法相关的基础知识，包 括步进电机的结构、工作原理、特性和驱动方法等内容。 1. 什么是步进电机？ 步进电机是一种可以与脉冲信号同步准确地控制旋转角度 和转速的电机，也称为“脉冲电机”。因其无需使用位置传 感器仅通过开环控制即可实现准确的定位而被广泛用于需 要定位的设备中。 2. 步进电机的结构（两相双极） 首先是外观示例。图 1 为 HB（Hybrid：混合）式和 PM （Permanent Magnet：永磁）式步进电机的外观。 图 2. 步进电机的内部结构示例 步进电机是线圈固定、永磁体旋转的结构。图 3 为内部结 构示意图，是使用两相（两组）线圈的永磁式电机示例， 线圈配置在外侧，永磁体配置在内侧。线圈除了两相外， 还有三相和五相等相数较多类型。 也有些步进电机采用的是其他不同的结构，但是为了便于 在下一章中介绍其工作原理，这里给出是基本结构，希望 大家了解的是：步进电机基本上采用线圈固定、永磁体旋 转的结构。 图 1. 步进电机的外观示例 © 2022 ROHM Co., Ltd. - 1 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 3. 步进电机的基本工作原理（1 相励磁） 下面使用图 4 来介绍步进电机的基本工作原理。该图与图 3 同为两相双极步进电机，是其双极型线圈每一相（一组 线圈）的励磁示例。该图是以状态从①到④变化为前提的。 线圈分别由线圈 1 和线圈 2 组成。另外，电流箭头表示电 流流动方向。 状态① ・ 使电流从线圈 1 的左侧流入，从线圈 1 的右侧流出。 ・ 线圈 2 中没有电流流过。 ・ 此时，左线圈 1 的内侧变为 N，右线圈 1 的内侧变为 S。 ・ 因此，中间的永磁体被线圈 1 的磁场吸引，变为左侧 S 和右侧 N 的状态并停止。 状态② ・ 停止线圈 1 的电流，使电流从线圈 2 的上侧流入，从线 图 3. 内部结构示意图（两相双极永磁式电机示例） 圈 2 的下侧流出。 *图片来源 Photo_1：http://www.monotaro.com/ Monotaro 步进电机 Photo_2：http://www.robotsfx.com/ 浅草技研 伺服作动器 Fig_1：http://www.minebea.co.jp/news/ 小型、高分辨率、高刚性混合式步进电 机“25□（见方）1.8°”（外形尺寸 25mm 见方、步距角 1.8 度）的产品化 Fig_2：http://www.nidec.com/ 2-4-2 爪极式永磁电机 ・ 上线圈 2 的内侧变为 N，下线圈 2 的内侧变为 S。 ・ 永磁体被其磁场吸引，顺时针旋转 90°并停止。 状态③ ・ 停止线圈 2 的电流，使电流从线圈 1 的右侧流入，从线 圈 1 的左侧流出。 ・ 左线圈 1 的内侧变为 S，右线圈 1 的内侧变为 N。 ・ 永磁体被其磁场吸引，顺时针再旋转 90°并停止。 状态④ ・ 停止线圈 1 的电流，使电流从线圈 2 的下侧流入，从线 圈 2 的上侧流出。 ・ 上线圈 2 的内侧变为 S，下线圈 2 的内侧变为 N。 ・ 永磁体被其磁场吸引，顺时针再旋转 90°并停止。 综上所述，通过电路按照上述①至④的顺序切换流过线圈 的电流，即可使电机旋转。在该示例中，每一次切换会使 电机旋转 90°。另外，当使电流持续流过某一线圈时，可 以保持停止状态并使电机具有保持转矩。顺便提一下，如 果将流过线圈的电流顺序反过来，则可以使电机反向旋转。 图 4. 步进电机的基本工作原理（1 相励磁） © 2022 ROHM Co., Ltd. - 2 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 ＜小结＞ 也就是说，相对于停止位置多次向前过头、后退过头最后 ・在两相双极步进电机中，按顺序逐相进行线圈励磁会使 完全停止。如果步进电机低速旋转，则这种阻尼振动可能 电机旋转。 会引起振动和噪声。通过减小步距角可以减少阻尼振动， ・按相反的顺序励磁可以使电机反向旋转。 因此，通过微步驱动可以降低低速范围的振动和噪声。 4. 步进电机的微步驱动工作原理 接下来使用图 5 来介绍微步驱动的工作原理。在两相双极 步进电机可以通过被称为“微步”的驱动方法来实现更精细 的步距角控制。 结构中，按照简单的线圈切换，步距角应该为 90°，而该 图是将其均分为四的 1/4 步驱动示例，并按照①～⑤的顺 序，分别列出了当使电机按 90°的 1/4 = 22.5°步距角旋转 在第 3 章中，给出了两相双极型步进电机的线圈逐相励磁 时各线圈的电流和磁场情况。 示例。在该示例中，按步距（使电流流经一组线圈中的一 个而不流经另一个线圈）介绍了电机每旋转 90°时的原理。 而微步驱动则可以使电机按照更精细的步距角旋转。 图 5. 微步驱动工作原理 微步驱动的优点主要有两个：一个是可以控制微小角度的 状态① 位置。另一个是可以降低低速范围内的振动和噪声。步进 ・ 使电流从线圈 1 的左侧流入，从线圈 1 的右侧流出。 电机在每一步都伴随着阻尼振动，最终停止在所定位置。 ・ 线圈 2 中没有电流流过。 © 2022 ROHM Co., Ltd. - 3 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 ・ 此时，左线圈 1 的内侧变为 N，右线圈 1 的内侧变为 S。 状态⑤ ・ 中间的永磁体* 被线圈 1 的磁场吸引，变为左侧 S 和右 ・ 若要再向前旋转 22.5° （即从①向前旋转 90°） ，需要使电 侧 N 的状态并停止。 流 Io 通过线圈 2，并使线圈 1 中的电流为 0。 ・ 假设当线圈电流为 Io 时，产生的磁场强度为 M0。 如上所述，磁场的大小恒定、根据角度控制流过各线圈的 *为了避免图片过于繁杂，未在①～⑤的图中表现出来。如果要了解永 磁体，请参考图 4。 电流来形成磁场、并通过任意步距使转子旋转和停止的工 作称为“微步驱动工作”。 状态② ・ 若要使之从①向前顺时针旋转 22.5°（90°的 1/4） ，需要 保持磁场强度 M0 并产生使永磁体在相应位置停止的磁 场。 在这里是将 90°均分为四的 1/4 步驱动的示例，不过目前 已经可以实现 1/32 步驱动了。如前所述，通过微步驱动可 进行微小角度位置控制并减少噪声和振动。 ・ 要实现这个目标，只要使线圈 1 产生 M0×cos（22.5°） ≈ M0×0.924 的磁场、使线圈 2 产生 M0×sin（22.5°） ＜小结＞ ≈ M0×0.383 的磁场即可。 ・步进电机可以通过微步驱动来实现更精细的步距角控制。 ・ 为此，需要将线圈 1 的电流控制为 Io×cos（22.5°）≈ ・微步驱动的优点是可以进行微小角度的位置控制，并且 可以减少低速范围的振动和噪声。 Io×0.924、将线圈 2 的电流控制为 Io×sin（22.5°）≈ Io×0.383。 5. 混合式步进电机 状态③ ・ 若要再向前旋转 22.5° （即从①向前顺时针旋转 45°） ，需 前面已经以永磁式步进电机为例介绍了电机的工作原理。 本章将介绍当今应用广泛的混合式步进电机的结构和工作 要产生相应的磁场 M0。 ・ 要实现这个目标，只要使线圈 1 产生 M0×cos（45°）≈ M0×0.707 的磁场、使线圈 2 产生 M0×sin（45°）≈ 原理。 5.1 混合式步进电机的结构 M0×0.707 的磁场即可。 ・ 为此，需要将线圈 1 的电流控制为 Io×cos（45°）≈ 混合式步进电机是兼具 VR 型和 PM 型电机优点的步进电 Io×0.707、将线圈 2 的电流控制为 Io×sin（45°）≈ 机。VR（Variable Reluctance，变磁阻）式电机使用齿轮 Io×0.707。 状的铁芯作为转子。其优点是可以通过机械加工减小步距 状态④ 角，缺点是转矩稍低，难以同时实现小型化和大转矩。而 ・ ③若要再向前旋转 22.5°（即从①向前旋转 67.5°），同样 PM（Permanent Magnet，永磁）式电机则可以通过强力 永磁体实现小型化的同时获得大转矩，但是在减小步距角 需要产生相应的磁场 M0。 ・ 要实现这个目标，只要使线圈 1 产生 M0×cos（67.5°） ≈ M0×0.383 的磁场、使线圈 2 产生 M0×sin（67.5°） ≈ M0×0.924 的磁场即可。 方面存在限制。 混合式电机使用 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，这种电机已被用 ・ 为此，需要将线圈 1 的电流控制为 Io×cos（67.5°）≈ 于众多应用。 Io×0.383、将线圈 2 的电流控制为 Io×sin（67.5°）≈ Io×0.924。 图 6 为混合式步进电机的基本结构。转子的基本结构是在 两个铁转子之间夹着沿轴向着磁的圆柱形磁铁。转子的圆 周上刻有齿。从轴向看，是将两个转子的齿错开 1/2 节距 © 2022 ROHM Co., Ltd. - 4 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 进行安装的。定子具有多个带有励磁线圈的磁极，每个磁 状态（参见图 6 的“初始状态”） ，通电后 A 相（上下）的上 极也具有类似于转子的齿。 磁极变为 S 极，下磁极变为 N 极。白色的齿为 N 极，因 此与 A 相的 S 极相吸；而蓝色的齿为 S 极，因此与 A 相 的 N 极相吸。从该状态开始，使线圈的通电状态按照①～ ⑤的顺序变化。 图 6. 混合式步进电机的结构 图 7. 混合式步进电机的工作原理 在图 6 中，定子绕组有四个，它们布置在转子周围，彼此 对置的线圈作为一组连接，上侧和下侧的线圈为 A 相，左 ①B 相（左右）通电，使右侧为 S 极，左侧为 N 极。位于 前面的白色齿（N）与右磁极（S）相吸，位于背面的蓝 侧和右侧的线圈为 B 相。线圈的连接使两个相对的磁极在 色齿（S）与左磁极（N）相吸。 通电后互为 N 极和 S 极。 ②当通电使 A 相（上下）的上磁极为 N、下磁极为 S 时， 转子齿数为 15 个。假设白色转子是靠近自己这边的转子 前面的白色齿（N）与下磁极（S）相吸，背面的蓝色齿 并已通过永磁体被磁化为 N 极，则蓝色转子位于背面并被 （S）与上磁极（N）相吸，转子进一步沿逆时针方向转 磁化为 S 极。 动。 ③当使 B 相（左右）与①反向通电时，前面的白色齿（N） 5.2 混合式步进电机的工作原理 与左磁极（S）相吸并转动，背面的蓝色齿（S）与右磁 下面使用图 7 来介绍混合式步进电机的工作原理。在初始 © 2022 ROHM Co., Ltd. - 5 - 极（N）相吸并转动。 TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 ④当使 A 相（上下）与②反向通电时，前面的白色齿（N） 与上磁极（S）相吸并转动，背面的蓝色齿（S）与下磁 极（N）相吸并转动。当通电使上磁极为 S、下磁极为 N 时，转子以相同的方式转动，并且转子相对于初始状态 （参见图 6 的“初始状态”）旋转一个齿距。 ⑤当通电使 B 相（左右）右磁极为 S、左磁极为 N（与① 相同）时，转子以相同的方式转动，并且相对于①旋转 一个齿距。 综上所述，转子按照①～⑤中的四个步骤沿逆时针方向转 动一个齿距，通过重复这些步骤的动作来使电机连续旋转。 要沿相反的顺时针方向旋转时，请按⑤～①的顺序控制通 电。 图 8. 步进电机的基本特性 ＜小结＞ ■牵入转矩特性 ・混合式步进电机是兼具 VR 型和 PM 型电机优点的步进 “牵入转矩特性”也称为“启动转矩特性”，表示可以使停止状 电机。 态的电机启动的频率（脉冲频率）与负载转矩之间的关系。 ・混合式步进电机使用 VR 型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。 牵入转矩曲线内的区域称为“自启动区域”，是可以启动、 停止和反转的区域。另外，将负载转矩为零的频率＝可以 ・步进电机通过切换两对线圈的通电状态（4 步） ，可以使 启动电机的极限频率称为“最大自启动频率”。如图所示， 转子旋转一个齿距。 频率越高，可启动的负载转矩越低。 6. 步进电机的基本特性 ■失步转矩（Pull-out Torque）特性 图 8 显示了步进电机的转矩和速度之间的关系。纵轴为转 矩，横轴为脉冲频率。脉冲频率是指驱动脉冲的频率，在 步进电机中，通常使用脉冲频率 pps（pulses per second， 每秒脉冲数）代替频率 Hz。蓝色曲线表示“牵入转矩特性”， 黄色曲线表示“失步转矩特性”。 ■“失步转矩特性”也称为“连续特性”或“牵出转矩特性”。表 示在自启动后增加负载转矩时可以继续旋转的频率。因此， 其值高于牵入转矩特性的值。电机可以连续运行的极限称 为“最大连续运行频率”。与牵入转矩特性一样，失步转矩 特性也是负载转矩会随着脉冲频率的增加而降低。 ■保持转矩（Holding Torque） 步进电机在通电状态下，在电机停止时即使施加外力，电 机也试图通过转子与定子之间的吸引力来保持停止位置， 这种保持力称为“保持转矩”。在上图中，即工作频率（脉 冲频率）为零、也就是停止状态下的转矩。 顺便提一下，步进电机的转矩之所以随着工作频率的增加 而减小，是因为受绕线电感影响，电流难以在高频条件下 流动。 © 2022 ROHM Co., Ltd. - 6 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 另外，步进电机的牵入转矩特性和失步转矩特性会因励磁 方法和驱动电路而异。因此，对步进电机的特性研究中， 需要进行包括驱动方法和电路在内的整体评估。 7.2 单极接线 如图 11 所示，单极接线具有一个中心抽头，采用电流在一 个绕组中始终沿固定方向流动的驱动方式（单极驱动） 。虽 7. 步进电机的接线方法 然电机的结构较为复杂，但是由于仅需要电流 ON/OFF 的 步进电机有双极接线和单极接线两种类型，每种类型都有 其优缺点，因此需要了解它们的特点并根据应用需求来选 用。 控制，因此驱动电路较简单。不过，其绕组的利用率较差， 与双极接线相比只能获得大约一半的输出转矩。另外，由 于电流 ON/OFF 时会在线圈中产生很高的反电动势，所以 需要使用高耐压的电机驱动器。 7.1 双极接线 图 9 为双极接线示意图。双极接线采用电流在一个绕组中 双向流动的驱动方式（双极驱动）。这种电机的结构比较简 单，端子数也较少，但由于必须控制一个端子的极性，因 此驱动电路较为复杂。不过，这种电机的绕组利用率好， 并且可以进行精细的控制，因此可以获得很高的输出转矩。 另外，还可以减小在线圈中产生的反电动势，所以可以使 用耐压较低的电机驱动器。 图 10. 单极接线 8. 两相双极步进电机的驱动 本章将分两相双极步进电机和两相单极步进电机分别进行 介绍。先从两相双极步进电机开始。 8.1 驱动电路 图 11 为两相双极驱动电路的基本框图示例。 © 2022 ROHM Co., Ltd. - 7 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 电机电流衰减时的电流再生模式包括 Slow Decay（慢速衰 减）和 Fast Decay（快速衰减）。在有的模式下，电流的 跟随性可能会降低，或者可能会引起振动或噪声。针对这 种问题，还有一种具有 Mix Decay（混合衰减）功能的驱 动器，可以从外部调节 Slow Decay 和 Fast Decay 的比例。 关于电流再生模式的介绍，将留待后述。 8.2 驱动波形 下面是两相双极步进电机驱动的 2 相励磁（Slow Decay 时） 、1-2 相励磁（2 相时全转矩，Slow Decay 时） 、1-2 相励磁（2 相时转矩=1 相时转矩，Slow Decay 时）、1/4 步励磁（Slow Decay 时）的波形图。 要确认的要点是输入信号 INxx、输出电压 OUTxx、各输 出电流以及步数之间的关系。在 1/4 步驱动这种情况下， 图 11. 两相双极步进电机的驱动电路示例 由于可以使步距更精细，电流的变化也比较缓和，故可以 可使用双通道的 H 桥驱动电路来驱动两相双极步进电机。 使电机平稳地旋转。 该框图是通过 PWM 工作进行恒流驱动的电路示例，其工 作原理基本上与使用 PWM 输出方式驱动直流电机相同。 图 12. 两相双极步进电机驱动：2 相励磁（Slow Decay 时） © 2022 ROHM Co., Ltd. - 8 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 图 13. 两相双极步进电机驱动：1-2 相励磁（2 相时全转矩，Slow Decay 时） 图 14. 两相双极步进电机驱动：1-2 相励磁（2 相时转矩＝1 相时转矩，Slow Decay 时） © 2022 ROHM Co., Ltd. - 9 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 图 15. 两相双极步进电机驱动：1/4 步励磁（Slow Decay 时） 8.3 什么是 Decay（衰减）? 图 16 是图 12 所示步进电机驱动波形的一部分和输出电流 在驱动步进电机时，需要进行 Decay（电流衰减）控制。 Decay 是一种在关断对电机的电源供给时使电流衰减的方 法，有 Slow Decay（慢速衰减）和 Fast Decay（快速衰 减）两种基本方法。 的放大波形。输出电压 OUT 是 PWM 信号，因此输出电流 是与 PWM 信号联动进行 ON/OFF 的平均电流。由于驱动 的是线圈，所以输出电流的波形是锯齿波，而不是 PWM 电压输出的方波。 图 16. 两相双极步进电机驱动波形和电流波形的放大图 © 2022 ROHM Co., Ltd. - 10 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 在图 16 的放大波形中， 蓝色波形是 Slow Decay 时的波形， （D）Fast Decay 的（d）处于导通状态，与 Slow Decay 由于衰减的斜率小，故电流衰减速度慢，PWM 关断期间 的状态相同。在（e）中，Q2 和 Q3 导通；在（f）中，所 的电流衰减也较缓慢。因此，在导通时达到设定电流值的 有的 MOSFET 均关断，再生电流流经导通的 Q2 和 Q3， 时间也缩短了。 也会经由寄生二极管流过关断的 Q2 和 Q3，因此在这两种 红色是 Fast Decay 时的波形，由于斜率较大，因此电流衰 减速度快，衰减量也很大，也因此在导通时需要花一些时 间才能达到设定的电流值，周期比 Slow Decay 要慢。 8.3.1 Slow Decay（慢速衰减）和 Fast Decay（快速衰 减）的差异 可以通过电机驱动器输出 H 桥的切换方法来选择 Slow Decay 或 Fast Decay。 情况下电流都是以相同的方式流动。电流会流向电源，但 由于电源电压试图使电流沿相反方向流动，所以电流的衰 减加快。 可以根据以哪种状态控制关断来区分使用“Slow Decay”和 “Fast Decay”。 8.3.2 Decay 方法的差异与步进电机驱动的关系 与 Fast Decay 相比，Slow Decay 的电流纹波更小，因此 图 17 中的线圈表示步进电机的线圈 A 和线圈 B 的一个线 圈。这里省略了不在 H 桥四个开关的内部电流路径中的开 关。 在 Slow Decay（a）中，Q1 和 Q4 处于导通状态。在（b） 和（c）中，Q4 导通，Q2 导通和关断。尽管开关的状态 噪声更小。另外，由于平均电流增加，所以可以增加产生 的转矩。但其缺点是如果脉冲频率变快，波形会失真，电 机无法正常旋转。 相反，Fast Decay 在噪声和转矩方面虽然逊色，但对于高 速脉冲频率，则比 Slow Decay 更具优势。 不同，但由于再生电流也会经由寄生二极管流向关断的 Q2 的 MOSFET，因此无论在哪种情况下，电流都是以相同的 方式流过。再生电流则仅是线圈中蓄积的电流。 图 17. 两相双极步进电机：Slow Decay 和 Fast Decay 方法的差异 © 2022 ROHM Co., Ltd. - 11 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 8.3.3 什么是 Mix Decay（混合衰减）? 衰减方法基本上是 Slow Decay 和 Fast Decay，不过还有 一种将它们结合起来并充分利用两者优点的方法，即 Mix Decay。 Mix Decay 是以 Fast Decay 开始衰减， 然后是 Slow Decay。 这使得电流衰减比 Slow Decay 快，而电流纹波比 Fast 图 18. Mix Decay 示意图（Fast/Slow 时间比可调型） Decay 小。这不仅可以维持大转矩，同时还支持高速脉冲 频率。某些驱动器 IC 可以调整 Slow 和 Fast 的时间比， ＜小结＞ ・在两相双极步进电机的驱动中，与 Fast Decay 相比， 可优化电流波形（图 18）。 Slow Decay 的电流纹波更小，因此噪声更小，平均电流 图 19 是不同步数 Slow、Mix、Fast Decay 时的波形。从 更大，故可以获得更大的转矩。但是，在高速脉冲频率条 波形可以看出，Mix Decay 方法的波形干扰和失真较小， 件下表现不佳。 已得到优化。 ・与 Slow Decay 相反，Fast Decay 在转矩方面虽然表现 逊色，但对于高速脉冲频率则更具优势。 ・Mix Decay 可以结合 Slow Decay 和 Fast Decay 的优点 来优化波形。 图 19. 不同步数 Slow、Mix、Fast Decay 时的波形 © 2022 ROHM Co., Ltd. - 12 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 9. 两相单极步进电机的驱动 9.2 2 相励磁的 PWM 驱动波形 本章将介绍两相单极步进电机的驱动。 图 21 是两相单极步进电机的 2 相励磁 PWM 驱动波形示 例。请看输入信号与输出电压、输出电流之间的关系。 9.1 驱动电路 与两相双极步进电机的驱动电路相比，图 11 所示的两相单 9.3 2 相励磁的 PWM 瞬态工作 极步进电机的驱动电路在输入段配置、内部逻辑及控制电 应该注意的是，当驱动两相单极步进电机时，输出 OFF 时 路和驱动电路使用双通道方面基本相同，但是输出段的配 会产生瞬态电压；由于其结构上的原因，变压器耦合会产 置不同（参考图 20） 。 生反电动势（参考图 22） 。以 OUT11 和 OUT12 的电压波 形为例，在 OUT11 关断的瞬间，会产生输出电压波动超 过 2×VM（供给中心抽头的电机电压电源）的瞬态电压， 并由于 OUT12 再生电流的变压器耦合回落至 2xVM。当 图 20. 相单极步进电机的驱动电路示例 OUT11 关断时，由于 OUT11 的电流再生，OUT12 波动到 GND 以下；当 OUT11 导通时，通过变压器耦合，OUT11 的电流变为 2×VM，并反复上述过程。因此，需要对电机 驱动器的耐压进行考量。 ＜小结＞ ・与两相双极步进电机的驱动电路相比，两相单极步进电 机的驱动电路在输入段配置、内部逻辑及控制电路和驱动 电路使用双通道方面基本相同，但是输出段的配置不同。 ・两相双极步进电机使用双通道 H 桥输出段来驱动，而两 相单极步进电机则使用双通道的 2 个开关（MOSFET） 来驱动。 ・在输出关断的瞬间，会产生瞬态电压，并且由于结构上 两相双极步进电机使用双通道 H 桥输出段来驱动，而两相 的原因，变压器耦合会产生（2×VM）以上的电压，因此 单极步进电机则使用双通道的 2 个开关（MOSFET）来驱 需要注意驱动器的耐压。 动。在图 20 的示例中，Q12 和 Q14、Q22 和 Q24 是成对 配置的。这是因为，只要使电流从提供给各线圈中心抽头 的电源沿固定方向流动，就可以驱动两相单极步进电机。 电流从中心抽头流向开关（MOSFET）处于导通状态的 OUT 引脚。 © 2022 ROHM Co., Ltd. - 13 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 图 21. 两相单极步进电机的 2 相励磁 PWM 驱动波形示例 © 2022 ROHM Co., Ltd. - 14 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 图 22. 两相单极步进电机的 2 相励磁 PWM 瞬态工作 © 2022 ROHM Co., Ltd. - 15 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 10. 总结 前面介绍了步进电机的基本结构和驱动方法，最后简要总结一下步进电机的特点和应用。 表 1. 步进电机驱动的方式与特点 图 23. 双极步进电机驱动波形 © 2022 ROHM Co., Ltd. - 16 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 表 2. 步进电机的优点和缺点示例 表 3. 步进电机的应用示例 © 2022 ROHM Co., Ltd. - 17 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 修订记录 日期 版本 2021.8.16 001 © 2022 ROHM Co., Ltd. 变更内容 初版 - 18 - TWHB-12_001 Hand Book 步进电机及其驱动方法基础 注意事项 1) 本资料中的内容如有更改，恕不另行通知。 2) 本资料中的应用电路示例及其常数等信息，是用来对本产品的标准工作和使用方法进行说明的。在进行量产设计时， 请对外部各种条件进行充分考量。 3) 本资料中的技术信息用来说明产品的代表性工作以及应用电路示例等内容，并非明示或默示允许实施或使用 ROHM 或其他公司的知识产权以及其他所有权利。对于因使用上述技术信息而引起的任何纠纷，ROHM 公司概不负责。 4) 对于因不遵守本资料中的记载而引起的任何事故或损坏，ROHM 公司概不负责。 5) 本资料在编写过程中已经力求信息准确，但万一因信息错误或误排而造成任何损害，ROHM 公司概不负责。 6) 未经 ROHM 许可，严禁复制或转载本资料的全部或部分内容。 Powered by © 2022 ROHM Co., Ltd. - 19 - TWHB-12_001