直流電機(jī)（DC Motors）

直流電機(jī)（DC Motors）是一種機(jī)電設(shè)備，它利用磁場(chǎng)和導(dǎo)體的相互作用將電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。

直流電機(jī)及其應(yīng)用

直流電機(jī)是一種連續(xù)執(zhí)行器，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。直流電機(jī)通過產(chǎn)生連續(xù)的角旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，這種旋轉(zhuǎn)可用于驅(qū)動(dòng)泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī)、車輪等。

除了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)外，還有線性電機(jī)，它們能夠產(chǎn)生連續(xù)的線性運(yùn)動(dòng)?；旧嫌腥N類型的傳統(tǒng)電機(jī)：交流電機(jī)（AC Motors）、直流電機(jī)（DC Motors）和步進(jìn)電機(jī)（Stepper Motors）。

典型的小型直流電機(jī)

交流電機(jī)通常用于高功率的單相或多相工業(yè)應(yīng)用，需要恒定的旋轉(zhuǎn)扭矩和速度來控制大型負(fù)載，如風(fēng)扇或泵。

在本教程中，我們將僅關(guān)注用于許多不同類型的電子、位置控制、微處理器、PIC和機(jī)器人電路中的簡(jiǎn)單輕型直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。

直流電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)

直流電機(jī)（DC Motor）或全稱直流電動(dòng)機(jī)，是最常用的執(zhí)行器，用于產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)動(dòng)，并且其旋轉(zhuǎn)速度可以輕松控制，使其非常適合用于需要速度控制、伺服控制或定位的應(yīng)用。

通常，直流電機(jī)由兩部分組成：“定子”（Stator）是靜止部分，“轉(zhuǎn)子”（Rotor）是旋轉(zhuǎn)部分。因此，基本上有三種類型的直流電機(jī)：

1. 有刷電機(jī)（Brushed Motor） - 這種電機(jī)通過在轉(zhuǎn)子上通過換向器和碳刷組件通電來產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此稱為“有刷”。定子的磁場(chǎng)可以通過繞制定子繞組或使用永磁體產(chǎn)生。通常，有刷直流電機(jī)價(jià)格便宜、體積小且易于控制。

2. 無刷電機(jī)（Brushless Motor） - 這種電機(jī)通過在轉(zhuǎn)子上安裝永磁體來產(chǎn)生磁場(chǎng)，并通過電子換向?qū)崿F(xiàn)。它們通常比傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)更小但更昂貴，因?yàn)樗鼈冊(cè)诙ㄗ又惺褂谩盎魻栃?yīng)”開關(guān)來產(chǎn)生所需的定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)序列，但它們具有更好的扭矩/速度特性，效率更高，并且比等效的有刷電機(jī)具有更長(zhǎng)的使用壽命。

3. 伺服電機(jī)（Servo Motor） - 這種電機(jī)基本上是一種帶有某種形式位置反饋控制的有刷直流電機(jī)，連接到轉(zhuǎn)子軸。它們連接到PWM型控制器并由其控制，主要用于位置控制系統(tǒng)和無線電控制模型。

普通直流電機(jī)具有幾乎線性的特性，其旋轉(zhuǎn)速度由施加的直流電壓決定，輸出扭矩由流過電機(jī)繞組的電流決定。

直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度可以從每分鐘幾轉(zhuǎn)（rpm）到每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)不等，使其適用于電子、汽車或機(jī)器人應(yīng)用。通過將它們連接到齒輪箱或齒輪傳動(dòng)裝置，可以在高速時(shí)降低輸出速度，同時(shí)增加電機(jī)的扭矩輸出。

有刷直流電機(jī)

傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)基本上由兩部分組成：靜止的電機(jī)主體稱為定子，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部分稱為轉(zhuǎn)子或“電樞”。

電機(jī)的繞制定子是一個(gè)電磁電路，由以圓形配置連接在一起的電氣線圈組成，以產(chǎn)生所需的北極、南極、北極等類型的靜止磁場(chǎng)系統(tǒng)，與交流電機(jī)的定子磁場(chǎng)隨頻率不斷旋轉(zhuǎn)不同。流過這些勵(lì)磁線圈的電流稱為電機(jī)勵(lì)磁電流。

這些形成定子磁場(chǎng)的電磁線圈可以與電機(jī)的電樞串聯(lián)、并聯(lián)或兩者結(jié)合（復(fù)合）。串聯(lián)繞組的直流電機(jī)的定子勵(lì)磁繞組與電樞串聯(lián)連接。同樣，并聯(lián)繞組的直流電機(jī)的定子勵(lì)磁繞組與電樞并聯(lián)連接，如圖所示。
串聯(lián)和并聯(lián)連接的直流電機(jī)

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子或電樞由載流導(dǎo)體組成，這些導(dǎo)體在一端連接到稱為換向器的電氣隔離銅段。換向器允許通過碳刷（因此稱為“有刷”電機(jī)）在電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)與外部電源進(jìn)行電氣連接。

轉(zhuǎn)子設(shè)置的磁場(chǎng)試圖與靜止的定子磁場(chǎng)對(duì)齊，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞其軸旋轉(zhuǎn)，但由于換向延遲而無法對(duì)齊。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度取決于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的強(qiáng)度，施加到電機(jī)的電壓越高，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)得越快。通過改變施加的直流電壓，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度也可以改變。
傳統(tǒng)（有刷）直流電機(jī)

永磁（PMDC）有刷直流電機(jī)通常比其等效的繞制定子型直流電機(jī)更小且更便宜，因?yàn)樗鼈儧]有勵(lì)磁繞組。在永磁直流（PMDC）電機(jī)中，這些勵(lì)磁線圈被強(qiáng)大的稀土（如釤鈷或釹鐵硼）型磁體取代，這些磁體具有非常高的磁能場(chǎng)。

使用永磁體使直流電機(jī)具有比等效的繞制電機(jī)更好的線性速度/扭矩特性，因?yàn)橛来朋w有時(shí)具有非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，使其更適合用于模型、機(jī)器人和伺服系統(tǒng)。

盡管有刷直流電機(jī)非常高效且便宜，但與有刷直流電機(jī)相關(guān)的問題是，在重負(fù)載條件下，換向器和碳刷之間的兩個(gè)表面之間會(huì)發(fā)生火花，導(dǎo)致自發(fā)熱、壽命短以及由于火花產(chǎn)生的電氣噪聲，這可能會(huì)損壞任何半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備，如MOSFET或晶體管。為了克服這些缺點(diǎn)，開發(fā)了無刷直流電機(jī)。

無刷直流電機(jī)

無刷直流電機(jī)（BDCM）與永磁直流電機(jī)非常相似，但由于沒有換向器火花，因此沒有需要更換或磨損的碳刷。因此，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量很少，從而延長(zhǎng)了電機(jī)的壽命。

無刷電機(jī)的設(shè)計(jì)通過使用更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路消除了對(duì)碳刷的需求，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是永磁體，始終與定子磁場(chǎng)同步，從而實(shí)現(xiàn)更精確的速度和扭矩控制。

因此，無刷直流電機(jī)的構(gòu)造與交流電機(jī)非常相似，使其成為真正的同步電機(jī)，但其缺點(diǎn)是比等效的“有刷”電機(jī)設(shè)計(jì)更昂貴。

無刷直流電機(jī)的控制與普通有刷直流電機(jī)非常不同，因?yàn)檫@種類型的電機(jī)包含一些檢測(cè)轉(zhuǎn)子角位置（或磁極）的手段，以產(chǎn)生控制半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備所需的反饋信號(hào)。最常見的位置/磁極傳感器是“霍爾效應(yīng)傳感器”，但一些電機(jī)也使用光學(xué)傳感器。

使用霍爾效應(yīng)傳感器，電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路切換電磁鐵的極性。然后，電機(jī)可以輕松地與數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)同步，提供精確的速度控制。無刷直流電機(jī)的構(gòu)造可以是外部永磁轉(zhuǎn)子和內(nèi)部電磁定子，或內(nèi)部永磁轉(zhuǎn)子和外部電磁定子。

與“有刷”電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是效率更高、可靠性高、電氣噪聲低、速度控制良好，更重要的是沒有碳刷或換向器磨損，從而產(chǎn)生更高的速度。然而，它們的缺點(diǎn)是更昂貴且控制更復(fù)雜。

直流伺服電機(jī)

直流伺服電機(jī)用于閉環(huán)類型的應(yīng)用，其中電機(jī)輸出軸的位置反饋到電機(jī)控制電路。典型的位置“反饋”設(shè)備包括解析器、編碼器和電位器，用于無線電控制模型，如飛機(jī)和船只等。

伺服電機(jī)通常包括一個(gè)內(nèi)置的齒輪箱用于減速，并且能夠直接提供高扭矩。伺服電機(jī)的輸出軸不像直流電機(jī)的軸那樣自由旋轉(zhuǎn)，因?yàn)檫B接了齒輪箱和反饋設(shè)備。
直流伺服電機(jī)框圖

伺服電機(jī)由直流電機(jī)、減速齒輪箱、位置反饋設(shè)備和某種形式的誤差校正組成。速度或位置相對(duì)于施加到設(shè)備的輸入信號(hào)或參考信號(hào)進(jìn)行控制。

RC伺服電機(jī)

誤差檢測(cè)放大器查看此輸入信號(hào)并將其與電機(jī)輸出軸的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，確定電機(jī)輸出軸是否處于誤差狀態(tài)，如果是，則控制器進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ?，加快或減慢電機(jī)速度。這種對(duì)位置反饋設(shè)備的響應(yīng)意味著伺服電機(jī)在“閉環(huán)系統(tǒng)”中運(yùn)行。

除了大型工業(yè)應(yīng)用外，伺服電機(jī)還用于小型遙控模型和機(jī)器人，大多數(shù)伺服電機(jī)能夠雙向旋轉(zhuǎn)約180度，使其非常適合精確的角度定位。然而，這些RC型伺服電機(jī)無法像傳統(tǒng)直流電機(jī)那樣持續(xù)高速旋轉(zhuǎn)，除非經(jīng)過特殊改裝。

伺服電機(jī)由多個(gè)設(shè)備組成，包括電機(jī)、齒輪箱、反饋設(shè)備和用于控制位置、方向或速度的誤差校正。它們廣泛用于機(jī)器人和小型模型，因?yàn)樗鼈冎恍枞娋€即可輕松控制：電源、地和信號(hào)控制。

直流電機(jī)的開關(guān)和控制

小型直流電機(jī)可以通過開關(guān)、繼電器、晶體管或MOSFET電路進(jìn)行“開”或“關(guān)”控制，最簡(jiǎn)單的電機(jī)控制形式是“線性”控制。這種類型的電路使用雙極晶體管作為開關(guān)（也可以使用達(dá)林頓晶體管以滿足更高的電流要求）從單一電源控制電機(jī)。

通過改變流入晶體管的基極電流量，可以控制電機(jī)的速度。例如，如果晶體管“半開”，則只有一半的電源電壓供給電機(jī)。如果晶體管“完全開啟”（飽和），則所有電源電壓都供給電機(jī)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)得更快。因此，對(duì)于這種線性控制，電源持續(xù)供給電機(jī)，如下所示。
電機(jī)速度控制電路

上面的簡(jiǎn)單開關(guān)電路顯示了單向（僅一個(gè)方向）電機(jī)速度控制電路。由于直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度與其端子上的電壓成正比，我們可以使用晶體管調(diào)節(jié)該端子電壓。

兩個(gè)晶體管連接為達(dá)林頓對(duì)，以控制電機(jī)的主電樞電流。一個(gè)5kΩ電位器用于控制第一個(gè)引導(dǎo)晶體管TR1的基極驅(qū)動(dòng)量，從而控制主開關(guān)晶體管TR2，允許電機(jī)的直流電壓從零變化到Vcc，在本例中為9到12伏。

可選續(xù)流二極管連接在開關(guān)晶體管TR2和電機(jī)端子之間，以保護(hù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的任何反電動(dòng)勢(shì)。可調(diào)電位器可以用連續(xù)的邏輯“1”或邏輯“0”信號(hào)直接替換，以從微控制器或PIC的端口分別將電機(jī)“完全開啟”（飽和）或“完全關(guān)閉”（截止）。

除了這種基本的速度控制外，相同的電路還可用于控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。通過以足夠高的頻率反復(fù)切換電機(jī)電流“開”和“關(guān)”，可以通過改變其電源的占空比來改變電機(jī)的速度，從靜止（0 rpm）到全速（100%）。這是通過改變“開”時(shí)間（tON）與“關(guān)”時(shí)間（tOFF）的比例來實(shí)現(xiàn)的，這可以通過稱為脈寬調(diào)制（PWM）的過程實(shí)現(xiàn)。

脈寬直流電機(jī)速度控制

我們之前說過，直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度與其端子上的平均電壓值成正比，該值越高（達(dá)到電機(jī)允許的最大電壓），電機(jī)旋轉(zhuǎn)得越快。換句話說，電壓越高，速度越快。

通過改變“開”（tON）時(shí)間和“關(guān)”（tOFF）時(shí)間之間的比例，稱為“占空比”、“占空比”或“工作周期”，電機(jī)電壓的平均值及其旋轉(zhuǎn)速度可以改變。對(duì)于簡(jiǎn)單的單極驅(qū)動(dòng)，占空比β給出為：

直流電機(jī)占空比

供給電機(jī)的平均直流輸出電壓為：Vmean = β x Vsupply。然后，通過改變脈沖寬度a，可以控制電機(jī)電壓，從而控制施加到電機(jī)的功率，這種類型的控制稱為脈寬調(diào)制或PWM。

另一種控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的方法是改變頻率（從而改變控制電壓的時(shí)間周期），同時(shí)保持“開”和“關(guān)”占空比時(shí)間不變。這種類型的控制稱為脈頻調(diào)制或PFM。

通過脈頻調(diào)制，電機(jī)電壓通過施加可變頻率的脈沖來控制，例如，在低頻或脈沖很少的情況下，施加到電機(jī)的平均電壓較低，因此電機(jī)速度較慢。在較高頻率或脈沖較多的情況下，電機(jī)端子電壓增加，電機(jī)速度也會(huì)增加。

因此，晶體管可用于控制施加到直流電機(jī)的功率量，操作模式可以是“線性”（改變電機(jī)電壓）、“脈寬調(diào)制”（改變脈沖寬度）或“脈頻調(diào)制”（改變脈沖頻率）。

直流電機(jī)的方向反轉(zhuǎn)

雖然使用單個(gè)晶體管控制直流電機(jī)的速度有許多優(yōu)點(diǎn)，但它也有一個(gè)主要缺點(diǎn)，即旋轉(zhuǎn)方向始終相同，它是一個(gè)“單向”電路。在許多應(yīng)用中，我們需要使電機(jī)在兩個(gè)方向上運(yùn)行，即正向和反向。

要控制直流電機(jī)的方向，必須反轉(zhuǎn)施加到電機(jī)連接的直流電源的極性，使其軸在相反方向上旋轉(zhuǎn)。控制直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的一種非常簡(jiǎn)單且廉價(jià)的方法是使用以下方式排列的不同開關(guān)：

直流電機(jī)方向控制

第一個(gè)電路使用單個(gè)雙刀雙擲（DPDT）開關(guān)來控制電機(jī)連接的極性。通過切換觸點(diǎn)，電機(jī)端子的電源反轉(zhuǎn)，電機(jī)反轉(zhuǎn)方向。第二個(gè)電路稍微復(fù)雜一些，使用四個(gè)單刀單擲（SPST）開關(guān)以“H”形配置排列。

機(jī)械開關(guān)以開關(guān)對(duì)排列，必須以特定的組合操作或停止直流電機(jī)。例如，開關(guān)組合A + D控制正向旋轉(zhuǎn)，而開關(guān)B + C控制反向旋轉(zhuǎn)，如圖所示。開關(guān)組合A + B或C + D短路電機(jī)端子，使其快速制動(dòng)。然而，以這種方式使用開關(guān)有其危險(xiǎn)，因?yàn)橥瑫r(shí)操作開關(guān)A + C或B + D會(huì)短路電源。

雖然上述兩個(gè)電路在大多數(shù)小型直流電機(jī)應(yīng)用中效果很好，但我們真的想通過操作不同的機(jī)械開關(guān)組合來反轉(zhuǎn)電機(jī)的方向嗎？不！我們可以將手動(dòng)開關(guān)更換為一組機(jī)電繼電器，并有一個(gè)單一的正向-反向按鈕或開關(guān)，甚至使用固態(tài)CMOS 4066B四路雙向開關(guān)。

但另一種實(shí)現(xiàn)電機(jī)雙向控制（以及速度控制）的非常好方法是將電機(jī)連接到晶體管H橋型電路布置中，如下所示。

基本雙向H橋直流電機(jī)電路

上面的H橋電路之所以如此命名，是因?yàn)樗膫€(gè)開關(guān)（無論是機(jī)電繼電器還是晶體管）的基本配置類似于字母“H”，電機(jī)位于中心條上。

晶體管或MOSFET H橋可能是最常用的雙向直流電機(jī)控制電路之一。它在每個(gè)分支中使用“互補(bǔ)晶體管對(duì)”（NPN和PNP），晶體管成對(duì)切換以控制電機(jī)。

控制輸入A使電機(jī)在一個(gè)方向上運(yùn)行，即正向旋轉(zhuǎn)，而輸入B使電機(jī)在另一個(gè)方向上運(yùn)行，即反向旋轉(zhuǎn)。然后，通過在“對(duì)角線對(duì)”中切換晶體管“開”或“關(guān)”，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的方向控制。

例如，當(dāng)晶體管TR1“開”且晶體管TR2“關(guān)”時(shí)，點(diǎn)A連接到電源電壓（+Vcc），如果晶體管TR3“關(guān)”且晶體管TR4“開”，則點(diǎn)B連接到0伏（GND）。然后，電機(jī)將在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)于電機(jī)端子A為正，電機(jī)端子B為負(fù)。

如果切換狀態(tài)反轉(zhuǎn)，使TR1“關(guān)”，TR2“開”，TR3“開”且TR4“關(guān)”，電機(jī)電流現(xiàn)在將沿相反方向流動(dòng)，導(dǎo)致電機(jī)在相反方向上旋轉(zhuǎn)。

然后，通過向輸入A和B施加相反的邏輯電平“1”或“0”，可以控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，如下所示。

直流電機(jī)H橋真值表

重要的是不允許其他輸入組合，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致電源短路，即兩個(gè)晶體管TR1和TR2同時(shí)“開”（保險(xiǎn)絲=爆炸?。?。

與上面看到的單向直流電機(jī)控制一樣，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度也可以使用脈寬調(diào)制（PWM）進(jìn)行控制。然后，通過將H橋開關(guān)與PWM控制相結(jié)合，可以精確控制電機(jī)的方向和速度。

商用現(xiàn)成的解碼器IC，如SN754410四路半H橋IC或具有2個(gè)H橋的L298N，具有所有必要的控制和安全邏輯，專門設(shè)計(jì)用于H橋雙向電機(jī)控制電路。

直流電機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)

與上述直流電機(jī)一樣，步進(jìn)電機(jī)也是一種機(jī)電執(zhí)行器，它將脈沖數(shù)字輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散（增量）機(jī)械運(yùn)動(dòng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制應(yīng)用中。

步進(jìn)電機(jī)是一種同步無刷電機(jī)，因?yàn)樗鼪]有帶有換向器和碳刷的電樞，而是有一個(gè)由許多（某些類型有數(shù)百個(gè)）永磁齒組成的轉(zhuǎn)子和帶有獨(dú)立繞組的定子。

 步進(jìn)電機(jī)

顧名思義，步進(jìn)電機(jī)不像傳統(tǒng)直流電機(jī)那樣連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而是以離散的“步”或“增量”移動(dòng)，每個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或步的角度取決于步進(jìn)電機(jī)的定子極數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

由于其離散的步進(jìn)操作，步進(jìn)電機(jī)可以輕松地一次旋轉(zhuǎn)有限的旋轉(zhuǎn)部分，例如1.8°、3.6°、7.5°等。例如，假設(shè)步進(jìn)電機(jī)在100步內(nèi)完成一次完整的旋轉(zhuǎn)（360°）。

那么電機(jī)的步進(jìn)角度為360度/100步=每步3.6度。該值通常稱為步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度。

步進(jìn)電機(jī)有三種基本類型：可變磁阻（Variable Reluctance）、永磁（Permanent Magnet）和混合（Hybrid）（兩者的組合）。步進(jìn)電機(jī)特別適用于需要精確定位和可重復(fù)性以及對(duì)啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)和速度控制的快速響應(yīng)的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)的另一個(gè)關(guān)鍵特性是其在達(dá)到所需位置后能夠保持負(fù)載穩(wěn)定。

通常，步進(jìn)電機(jī)具有一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)子，帶有大量永磁“齒”，并且定子上安裝有多個(gè)電磁“齒”。定子的電磁鐵依次極化和去極化，使轉(zhuǎn)子一次旋轉(zhuǎn)一個(gè)“步”。

現(xiàn)代多極、多齒步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)每步小于0.9度的精度（每轉(zhuǎn)400個(gè)脈沖），主要用于高度精確的定位系統(tǒng)，如軟盤/硬盤驅(qū)動(dòng)器中的磁頭、打印機(jī)/繪圖儀或機(jī)器人應(yīng)用。最常用的步進(jìn)電機(jī)是每轉(zhuǎn)200步的步進(jìn)電機(jī)。它具有50齒轉(zhuǎn)子、4相定子和1.8度的步進(jìn)角度（360度/（50×4））。

步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造與控制

可變磁阻步進(jìn)電機(jī)

在我們上述簡(jiǎn)單的可變磁阻步進(jìn)電機(jī)示例中，電機(jī)由一個(gè)中央轉(zhuǎn)子和四個(gè)標(biāo)記為A、B、C和D的電磁場(chǎng)線圈組成。所有相同字母的線圈都連接在一起，因此通電時(shí)，例如標(biāo)記為A的線圈將使磁性轉(zhuǎn)子與該組線圈對(duì)齊。

通過依次向每組線圈施加電源，轉(zhuǎn)子可以通過其步進(jìn)角構(gòu)造確定的角度從一個(gè)位置旋轉(zhuǎn)或“步進(jìn)”到下一個(gè)位置，并且通過依次通電線圈，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過以設(shè)定的順序通電場(chǎng)線圈來控制電機(jī)的步進(jìn)角和速度，例如，“ADCB, ADCB, ADCB, A…”等，轉(zhuǎn)子將沿一個(gè)方向（正向）旋轉(zhuǎn)，而通過將脈沖序列反轉(zhuǎn)為“ABCD, ABCD, ABCD, A…”等，轉(zhuǎn)子將沿相反方向（反向）旋轉(zhuǎn)。

因此，在我們上面的簡(jiǎn)單示例中，步進(jìn)電機(jī)有四個(gè)線圈，使其成為4相電機(jī)，定子上的極數(shù)為8個(gè)（2 x 4），間隔為45度。轉(zhuǎn)子上的齒數(shù)為6個(gè)，間隔為60度。

然后，轉(zhuǎn)子完成一整圈有24個(gè)（6齒 x 4線圈）可能的位置或“步進(jìn)”。因此，上述步進(jìn)角為：360度/24 = 15度。

顯然，轉(zhuǎn)子齒數(shù)和/或定子線圈越多，控制越精細(xì)，步進(jìn)角越小。此外，通過以不同的配置連接電機(jī)的電線圈，可以實(shí)現(xiàn)全步、半步和微步角度。然而，要實(shí)現(xiàn)微步進(jìn)，步進(jìn)電機(jī)必須由（準(zhǔn)）正弦電流驅(qū)動(dòng)，這實(shí)現(xiàn)起來成本較高。

還可以通過改變施加到線圈的數(shù)字脈沖之間的時(shí)間延遲（頻率）來控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，延遲越長(zhǎng)，完成一整圈的速度越慢。通過向電機(jī)施加固定數(shù)量的脈沖，電機(jī)軸將旋轉(zhuǎn)給定的角度。

使用時(shí)間延遲脈沖的優(yōu)點(diǎn)是無需任何形式的額外反饋，因?yàn)橥ㄟ^計(jì)算給電機(jī)的脈沖數(shù)，可以準(zhǔn)確知道轉(zhuǎn)子的最終位置。這種對(duì)設(shè)定數(shù)量的數(shù)字輸入脈沖的響應(yīng)允許步進(jìn)電機(jī)在“開環(huán)系統(tǒng)”中運(yùn)行，使其控制更簡(jiǎn)單且更經(jīng)濟(jì)。

例如，假設(shè)我們的步進(jìn)電機(jī)每步的步進(jìn)角為3.6度。要使電機(jī)旋轉(zhuǎn)216度，然后在所需位置停止，只需要總共：216度/（3.6度/步）= 80個(gè)脈沖施加到定子線圈。

有許多步進(jìn)電機(jī)控制器IC可用于控制步進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)速度和電機(jī)方向。其中一個(gè)控制器IC是SAA1027，它具有所有必要的計(jì)數(shù)器和代碼轉(zhuǎn)換功能，并可以自動(dòng)以正確的順序驅(qū)動(dòng)4個(gè)全控橋輸出到電機(jī)。

還可以選擇旋轉(zhuǎn)方向以及單步模式或選定方向的連續(xù)（無級(jí)）旋轉(zhuǎn)，但這會(huì)給控制器帶來一些負(fù)擔(dān)。當(dāng)使用8位數(shù)字控制器時(shí)，每步還可以實(shí)現(xiàn)256個(gè)微步。

SAA1027步進(jìn)電機(jī)控制芯片

SAA1027步進(jìn)電機(jī)芯片

在本教程關(guān)于旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的內(nèi)容中，我們研究了有刷和無刷直流電機(jī)、直流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)電執(zhí)行器，可用于位置或速度控制的輸出設(shè)備。

在下一個(gè)關(guān)于輸入/輸出設(shè)備的教程中，我們將繼續(xù)研究稱為執(zhí)行器的輸出設(shè)備，特別是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波的設(shè)備，再次利用電磁原理。我們將在下一個(gè)教程中研究的輸出設(shè)備類型是揚(yáng)聲器。