什麼是步進電機，步進電機的巧妙原理

大家好 我是方胞 我最近在學習單片機 最近學到了電機控制的章節 很有意思 所以和大家分享一下 這是一臺有刷直流電機 很多玩具和小電器上會搭載這種電機 兩個電機正接正轉 反接反轉 我之前的視頻有介紹過有刷直流電機的原理 這裏就不再贅述了 那這個電機有什麼問題呢 不能實現很精細的控制 一開一關 跑幾圈就進去了 我如果想讓它轉過一圈就停住 轉過半圈就停住呢 那我開關的速度更快一點不就行了嗎 讓它剛轉過半圈就斷電 單靠我的手速肯定做不到 這時候就需要藉助單片機了 簡單介紹一下單片機的作用 根據我現在學到的淺顯的理解 它就相當於一個開關 它上面有很多的針腳 我們可以通過編程去配置這些針腳 哪個通電 哪個斷電 什麼時候通 什麼時候斷 通多久 斷多久 簡單來說 我如果給一個接口寫1 一個接口寫0 兩個接口一連 電流就會從高電壓的這邊流向那邊 如果這邊寫1 這邊寫0 電流就會從這邊流向那邊 如果兩邊都是1或者都是0 兩邊電壓相等 它們之間就不會有電流流過 簡單來說就是這麼回事 通過編程去配置這個開關 我寫了一個通電30微秒斷電1秒的程序 大家就能看到扇葉轉過半圈就停1秒 轉過半圈就停1秒 它是30微秒轉了半圈 我如果想讓它1秒鐘轉半圈 10秒鐘轉半圈 轉過18度就停住呢 單靠這個電機本身就沒有辦法實現了 它的結構就決定了 它就沒法在轉過18度的位置停住 這是如果我們想用電機實現一些比較精細的控制 不妨瞭解一下 步進電機 這是兩款比較有代表性的步進電機 兩項的42步進電機 四項的28BYJ48步進電機 它們都可以實現非常精細的角度控制 我們逐一來看 我是方胞 咚 這兩款步進電機都是永磁體轉子和線圈定子組成的無刷電機 在介紹它們之前 我們先來看一個簡化模型 用兩根導線插入鐵芯組成電機定子 當電流從A1流向A2時 產生一端S一端N的磁場 電流反向時 磁場隨之反向 導線B同理 現在我們加入一個永磁體轉子 首先通以A2到A1的電流 轉子在磁場吸引下轉動90度並保持在此 之後斷開導線A的電流 同時通以B1到B2的電流 轉子再次轉過90度 之後通以A1到A2的電流 B2到B1的電流 我們就實現了對轉子旋轉90度的控制 現在保持B2B1電流的同時 我們通以A2A1的電流 此時轉子同時受兩組磁場影響 旋轉45度 與之前的單一導線通電結合 我們就實現了對轉子單次旋轉45度的控制 通過改變對電信號的執行順序和時長 就能改變轉子的轉動方向和轉速 這就是一個最基礎的雙向步進電機 每發送一個電信號 轉子轉動45度 45度就是這臺步進電機的步進角 45度顯然太大了 如何實現更精細的控制呢 現在我們將四個繞組增加一倍 依然是兩根導線繞成 產生的磁場兩兩相對 我們把轉子磁基也增加一倍 依然按剛剛的順序發送電信號 現在這臺步進電機的步進角變成了22.5度 那如果我們想要更小的步進角 是不是隻要成倍的增加線圈繞組就可以了呢 理論上是這樣 但其實並不需要 爲了得到更小的步進角 實現對電機更精細的控制 42步進電機和28BYJ步進電機 採用了兩種不同的 但都極爲巧妙的設計方式 我們先來看42步進電機 42步進電機的轉子 是一塊外圈爲單一磁基的永磁體 我們假定這塊是N級 這塊磁體有50個尺 我們再設計一個與轉子尺一一對應的50尺內齒輪 去掉兩個尺 將剩下的48尺分爲8份 這個間隔是1.8度 此時1號5號的尺與轉子尺兩兩相對 2號4號6號8號的尺與轉子尺相差1.8度 3號7號相差3.6度 現在用這些尺來代替原本定子鐵芯的圓弧形狀 我們就得到了改造後的步進電機 步進角就從22.5度縮小爲了1.8度 並且只需要4個電芯號 現在我們按照A1A2B2B1A2A1B1B2的順序通電 此時每發送一個電芯號 轉子轉動1.8度來對齊繞足鐵芯的尺 爲了讓轉子獲得更大的扭矩和轉動穩定性 我們再增加一塊外圈爲S級的永磁體 兩塊永磁體的尺相差3.6度 剛好尺牙交錯 通電時 S級吸引前面的永磁體 N級吸引後面的永磁體 以此獲得更大的扭矩和穩定性 這就是四二步進電機的結構原理和控制方式 我們再來看28BYJ48步進電機 它採用了一種與四二步進電機完全不同的設計形式 先回到我們剛剛提過的問題 最開始展示四個繞足的定子時 轉子的步進角是45度 8個繞足的定子步進角是22.5度 那16個繞足的定子步進角就是11.25度了 32個繞足的定子步進角就是5.625度 而28BYJ步進電機 就相當於內部有一個32個繞足的定子 那它有32個線圈 實際上只有兩組線圈 它採用了一種非常巧妙的設計 我們先看其中一組線圈 線圈被兩個有八隻爪的導磁片夾住 這組線圈由A1A2兩根組成 且共用一個電源正極 當線圈A1導通時產生正向磁場 後導磁片的八隻爪聚集磁感線表現爲N級 前導磁片的八隻爪表現爲S級 當線圈A2導通時產生反向磁場 前後導磁片的磁極也隨之改變 另一組線圈也是如此 當兩組線圈疊加時 四條線圈共用一個電源正極 同時四片導磁片的磁爪相互交錯 相差11.25度 相當於用兩組線圈 就構建了一個32個繞足的定子 搭配上一隻8對NS級的永磁體轉子 我們就得到了一個步進角爲5.625度的步進電機 再安裝一套1比64的減速齒輪 所以這臺28BYJ48步進電機 實際的步進角是5.625除以64 約等於0.0879度 瞭解了步進電機的結構原理以及如何控制 我們就可以通過改變發送電信號的順序 數量和時長 來改變步進電機的運轉方向 角度以及速度 當然這個角度只能是步進角的倍數 我寫了個程序來展示步進電機的控制 我們可以控制步進電機正轉反轉 加速減速 那還有沒有更復雜點的運動呢 我就看到了我的電動牙刷 不過它用的是一套伺服電機 它的動作是單靠一套電機實現的 我能不能用步進電機去復刻伺服電機的動作呢 我就觀察了一下 我發現它是在震動的同時疊加了掃動 分析了它的運動方式 我試着寫了一套控制程序 就是這樣 如果我能用步進電機復刻伺服電機的動作 那它們的區別在哪呢 這個問題我們下期再聊 每一項發明的背後都是設計者的奇思妙想和證明邏輯 我是貓蹦 感謝關注 我們下期再見