双极性步进电机（上）：控制模式
品慧电子讯步进电机具有独特的开环位置控制性能，这使它在智能时代广受欢迎。为确保步进电机在旋转时输出扭矩的平滑，需要考虑每个器件独特的需求。而电机旋转的稳定性则与其物理结构和控制模式密切相关。
本文将介绍双极性步进电机及其结构和控制模式。
双极性步进电机的基本组件
步进电机属于直无刷(BLDC) 电机，它按照等长的步进值逐步转动。而双极性步进电机则是每相都拥有一个绕组的步进电机，具体而言，为两相四线步进电机。它由定子和转子两个主要部件组成（见图 1）。
图1: 双极性步进电机的结构示意图
定子
定子是电机的静止部分。绕组绕在8个定子上，每个定子的磁芯上都有5个齿（见图1）。
A 相的绕组从定子 1 开始，然后依次绕到定子 3、定子 5 和定子 7（见图 2）。 注意，定子1和定子5的绕组方向相同，而定子3和定子7的绕组方向相同。这两组绕组（定子 1 和定子 5，以及定子 3 和定子 7）的绕线方向相反。B相的绕组原理与之相同，其中定子4和定子8为一组，定子2和定子6为一组。
图2: 双极性步进电机的绕组原理图
转子
通常转子上贴有轴向充磁的永磁体。 图 3 所示为转子的结构。
图3: 转子结构
图4展示了转子的侧视截面图。
图4：转子侧视截面图
永磁体的磁力线在电机主体中形成闭合。由于磁力线和磁阻效应，步进电机即使在不通电的情况下也有一定的锁定力矩（见图4）。
根据齿数和相位结构，转子共有50个齿与定子齿轮相对，步进角度为1.8度（见图5）。步进角度定义为当电气周期完成90度时，步进电机转子向前移动的机械角度。
图5: 1.8°步进角度
步进模式
将双极性步进电机的结构简化可以更好地理解其控制方法（见图6）。
图 6：双极性步进电机的简化示意图
步进电机的定子和转子可以被看作只有一个齿，这使步进电机的驱动方式不同于其他电机。这种方法称为双全桥驱动，其中 A 相绕组连接到第一个全桥驱动器，而 B 相绕组连接到第二个全桥驱动器（见图 7）。
图 7：双全桥驱动器电路图
双极性步进电机具有三种控制模式：单相步进、整步步进和半步步进（见表 1）。
表1: 步进电机的控制模式
单相步进
当电机按单相步进方式依次驱动A相和B相时，定子磁场发生变化，转子因极性吸引而转动。表1中详细描述了 A 相和 B 相 (AB) 的通电顺序和转子的旋转位置。
单相步进过程具体包括三个步骤，如下所述：
1. A相被驱动时，驱动电流从Q1流向Q4。在此期间，定子 A 的上端在 N，下端在 S，转子转到位置 8（见图 6）。
2. 接下来，B相被驱动，驱动电流从Q5流向Q8。定子 B 的一端在 S，另一端在 N，转子转到位置 2（见图 6）。
3. 在接下来的两个状态中，转子在循环启动顺序后开始旋转。
图 8 显示了单相步进期间 AB 相的电流波形。
图 8：AB 相的单相步进电流波形
整步步进
与单相步进不同，A 相和 B 相绕组在整步模式下将被同时驱动。另外还有四种对应的通电模式和转子电气位置；其位置空间在电气空间上不同于单相步进。 转子可以根据器件的启动顺序旋转。图 9 显示了 AB 相的整步电流波形。
图 9：整步（AB 相电流波形）
半步步进
在半步模式下，单相和整步步进共同工作，可以提供更多的电气角度位置、更详细的电流波形和更平滑的旋转。
图 10 显示了单相到两相操作的非循环半步模式。 这种模式在整步和半步之间交替生成 8 步序列。
图 10：非循环半步模式
结语
本文回顾了双极性步进电机的基本组件（定子和转子），及其三种主要的控制模式：单相步进、整步步进和半步步进。在下一篇文章中，我们将讨论双全桥驱动的微步进模式。
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