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步进电机的满步，半步，及微步驱动

步进电机有三种驱动模式，即满步，半步，还有微步驱动。

（1）满步驱动（Full-step），就是一次走一个步距，这是一种常用的驱动方式。根据通电相数，满步驱动又分成两种，一种是单相通电驱动，一种是双相通电驱动。为简单起见，以永磁式步进电机为例来说明，如下图。

单相通电满步驱动，用线圈和磁铁表示，这个容易懂双相通电满步驱动，用线圈和磁铁表示，这个容易懂两相满步驱动时的线圈通电顺序，一般在产品目录中，供应商用这种表示方法。单相和双相通电满步驱动概念

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步进电机单相通电满步控制

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步进电机双相通电满步控制

（2）半步驱动（Half-step）

半步驱动，就是一次只走半个步距。实现方式是单相和双相交替通电，原理如下图。半步驱动的好处是提高分辨率，但是缺点是扭矩只有两相满步驱动的70%，当然，也可以通过优化线圈中电流大小，来提高半步驱动扭矩。半步驱动：单相双相交替通电两相电机半步驱动：单相和双相交替通电单相和双相交替通电，实现半步驱动的概念。单相通电时，线圈产生磁场，磁铁因为磁场的吸引力，指向通电的线圈。双相通电时，因为两个线圈都产生磁场，所以合成磁场让转子处于中间平衡位置。

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步进电机单相双相交替通电半步控制

（3）微步驱动（Microstepping）

因为电流大小不同，将会导致线圈产生的磁场强度不同，从而导致转子的平衡位置发生变化，这就是微步驱动的原理。微步驱动原理：A线圈Zui开始有Zui大电流，而B线圈此时电流为零，定子指向A线圈。A线圈慢慢减小电流， B线圈慢慢增加电流，因为磁场平衡位置的变化，定子慢步向B线圈转动。宏观来看，A线圈中电流变化接近Cos曲线，B线圈电流变化接近Sin曲线，直到A线圈电流减为零，而B线圈电流达到Zui大值，定子指向B线圈。微步驱动电流示意图：电流每一步的变化的大小，决定了微步运动的大小，上图是1/4，1/8，1/16微步电流变化示意图（来自Faulhaber）微步驱动电流示意图(来源TI)微步运动举例：在图1中，A线圈通满电流，图2中A线圈通Zui大电流的0.92倍，而B线圈通Zui大电流的0.38倍，实现22.5°旋转。同理，图3中，A和B线圈同时通Zui大电流的0.71倍，可以实现45°旋转。比如，一个200步的步进电机，如果用满电流驱动，那么它的步距是1.8°，而如果用一半的电流驱动，那么它的步距将会是0.9°。当然还可以继续细分，一般地，步进电机一个步距可以细分256步。步数越多，可以获得越平滑的运动，噪声也越小，不容易失步（丢步），但是代价就是扭矩大大减小。所谓失步，就是电机没有按照命令走相应的步数，关于失步，后一小结中，我们专门来了解。比如，当把一步分成16步时，扭矩仅为保持扭矩的10%左右。微步驱动保持扭矩和步数的关系（来自Faulhaber）通常过大的运行步距，会导致高振荡，因为过大的步距，需要很大的扭矩，大扭矩又会产生大加速度，进而容易产生过冲和铃响（振荡）现象。过大的步距产生振动（来自Microchip）脉冲频率和自然频率相等时，发生振动。在上面的示例中，过度的振动导致在90度附近，没有停稳，然后电机响应下一个脉冲，离开90度附近，到达180度。（来自Microchip）当输入的脉冲频率，和转子的自然频率相等时，会发生共振，并且导致丢步。通常在100-200pps范围附近，有一个共振区域，在高阶脉冲速率区域中，也有一个共振区域。步进电机的共振现象，来自其基本结构，因此不可能完全消除。共振和负载条件也有关系，一般可以通过半步或微步模式驱动电机，来减小共振，或者选择高于共振频率的驱动频率来驱动电机，以避开共振。因为构造原因，如果步进电机在低速丢步，那么会丢多步，例如8，12，16等4的倍数，高速丢步时电机会停止，如果丢步低于4步，那么是电子换向（Commutation）引起的。失步会丢失精度，在步进电机的应用中，应该避免这种情况的发生。
满步，半步，微步驱动示意图

相同尺寸下的伺服电机与步进电机的速度力矩特性比较

电机在停止位置自保持

绕组通电时步进电机具有全部的保持力矩。这就意味着步进电机可以在不使用机械刹车的情况下保持在停止位置。

装有电磁刹车的电机

  一旦电源被切断，电机自身的保持力矩丢失，电机不能在垂直操作中或施加外力作用下保持在停止位置。在提升和其它相似应用中需要使用带电磁刹车的电机。
负载
速度-力矩曲线

闭环伺服控制步进电机