種電機。隨着嵌入式系統(例如打印機、磁盤驅動器、玩具、雨刷、震動尋呼機、機械手臂和錄像機等)
的日益流行，步進電機的使用也開始暴增。不論在工業、軍事、醫療、汽車還是娛樂業中，只要需要把
某件物體從一個位置移動到另一個位置，步進電機就一定能派上用場。步進電機有許多種形狀和尺寸，
但不論形狀和尺寸如何，它們都可以歸爲兩類：可變磁阻步進電機和永磁步進電機。本文重點討論更爲
簡單也更常用的永磁步進電機。
步進電機的構造
（圖一，具有雙齒槽和單繞組的定子）
如圖 1 所示，步進電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線圈驅動的。通常情況下，一根繞
成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。如果線圈中電
流的流向如圖 1 所示，並且我們從電機頂部向下看齒槽的頂部，那麼電流在繞兩個齒槽按逆時針流向流
動。根據安培定律和右手準則，這樣的電流會產生一個北極向上的磁場。
現在假設我們構造一個定子上纏繞有兩個繞組的電機，內置一個能夠繞中心任意轉動的永久磁鐵，
這個可旋轉部分叫做轉子。圖 2 給出了一種簡單的電機，叫做雙相雙極電機，因爲其定子上有兩個繞組，
而且其轉子有兩個磁極。如果我們按圖 2a 所示方向給繞組 1 輸送電流，而繞組 2 中沒有電流流過，那
麼電機轉子的南極就會自然地
按圖中所示，指向定子磁場的
北極
（圖 2：雙相雙極電機）
然後我們切斷繞組 1 中的電流，按照圖 2b 所示方向給繞組 2 輸送電流，於是定子磁場會指向左側，
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山東大學（威海）機電與信息工程學院——李斌 2
從而使得轉子旋轉，其南極也指向左側。
接着，我們再將繞組 2 的電流切斷，按照圖 2c 的方向給繞組 1 輸送電流，注意：這時繞組 1 中的電
流流向與圖 2a 所示方向相反。於是定子的磁場北極就會指向下，從而導致轉子旋轉，其南極也指向下
方。
然後我們又切斷繞組 1 中的電流，按照圖 2d 所示方向給繞組 2 輸送電流，於是定子磁場又會指向右
側，從而使得轉子旋轉，其南極也指向右側。。
最後，我們再一次切斷繞組 2 中的電流，並給繞組 1 輸送如圖 2a 所示的電流，這樣，轉子又會回到
原來的位置。
至此，我們對電機繞組完成了一個週期的電激勵，電機轉子旋轉了一整圈。也就是說，電機的電頻
率等於它轉動的機械頻率。
如果我們用 1 秒鐘順序完成了圖 2 所示的這 4 個步驟，那麼電機的電頻率就是 1Hz。其轉子旋轉了
一週，因而其機械頻率也是 1Hz。總之，一個雙相步進電機的電頻率和機械頻率之間的關係可以用下式
表示：fe=fm*P/2 (1)
其中，fe代表電機的電頻率，fm代表其機械頻率，而P則代表電機轉子的等距磁極數。
從圖2中我們還可以看出，每一步操作都會使轉子旋轉90°，也就是說，一個雙相步進電機每一步操作造
成的旋轉度數可由下式表示：1 step= 180°/P (2)
由等式(2)可知，一個雙極電機每動作一次可以旋轉 180°/2=90°，這與我們在圖 2 中看到的情形正好
相符。此外，該等式還表明，電機的磁極數越多，步進精度就越高。常見的是磁極數在 12 和 200 個之
間的雙相步進電機，這些電機的步進精度在 15°和 0.9°之間。
（圖 3：雙相六極電機）
圖 3 給出的例子是一個雙相、6 極步進電機，其中包含 3 個永久磁鐵，因而有 6 個磁極。第一步，
如圖 3a 所示，我們給繞組 1 施加電壓，在定子中產生一個北極指向其頂部的磁場，於是，轉子的南極(圖
3a 中紅色的“S”一端)轉向了該圖的上方。接着，在圖 3b 中，我們給繞組 2 施加電壓，定子中產生一個
北極指向其左側的磁場。於是，轉子的一個距離最近的南極轉向了圖的左方，即轉子順時針轉動了 30°。
第三步，在圖 3c 中，我們又向繞組 1 施加一個電壓，在定子中產生一個北極指向圖下方的磁場，從而
又使轉子順時針旋轉 30°到達圖 3c 所示的位置。而在圖 3d 中，我們給繞組 2 施加電壓，在定子中產生
一個北極指向定子右側的磁場，再一次使轉子順時針旋轉 30°，到達圖 3d 所示的位置。最後，我們再向
繞組 1 施加電壓，產生一個如圖 3a 所示的北極指向定子上方的磁場，使得轉子順時針旋轉 30°，結束一
個電週期。如此可以看出，4 步電激勵造成了 120°的機械旋轉。也就是說，該電機的電頻率是機械頻率
的 3 倍，這一結果符合等式 (1)。此外，我們從圖 3 和等式(2)也能看出，該電機的轉子每一步旋轉 30°。
如果同時向兩個繞組輸送電流，還能增大電機的扭矩，如圖 4 所示。這時，電機定子的磁場是兩個
繞組各自產生的磁場的矢量和，雖然這一磁場每一次動作仍然只使電機旋轉 90°，就象圖 2 和圖 3 中一
樣，但因爲我們同時激勵兩個電機繞組，所以此時的磁場比單獨激勵一個繞組時更強。由於該磁場是兩
個垂直場的矢量和，因此它等於單獨每個場的 2×1.414 倍，從而電機對其負載施加的扭矩也成正比增大。
電機的激勵順序
既然我們知道了一系列激勵會使步進電機旋轉，接下來就要設計硬件來實現所需的步進序列。一塊能讓
電機動起來的硬件(或結合了硬件和軟件的一套設備)就叫做電機驅動器。
從圖4中可以看出我們怎樣激勵雙相電機的繞組才能使電機轉子旋轉，圖中，電機內的繞組抽頭分別被
標爲1A、1B、2A和2B。其中，1A和1B是繞組1的兩個抽頭，2A和2B則是繞組2的兩個抽頭。
首先，要給腳 1B 和 2B 施加一個正電壓，並將 1A 和 2A 接地。然後，給腳 1B 和 2A 施加一個正電
壓，而將 1A 和 2B 接地，這一過程其實取決於導線繞齒槽纏繞的方向，假設導線纏繞的方向與上一節所
述相符。依次進行下去，我們就得到了表 1 中總結的激勵順序，其中，“1”表示正電壓，“0”表示接地。
（表 1：雙相電機動作過程中的繞組抽頭極性）
電流在電機繞組中有兩種可能的流向，這樣的電機就叫做雙極電機和雙極驅動序列。雙極電機通常
由一種叫做 H 橋的電路驅動，圖 5 給出了連接 H 橋和步進電機兩根抽頭的電路。H 橋通過一個電阻連
接到一個電壓固定的直流電源(其幅度可根據電機的要求選取)，然後，該電路再經過 4 個開關(分別標爲
S1、S2、S3 和 S4)連接到繞組的兩根抽頭。這一電路的分佈看起來有點象一個大寫字母 H，因此叫做 H
橋。
（圖 5：可用於驅動電機每個繞組的 H 橋電路）
從表 1 中可以看出，要激勵該電機，第一步應將抽頭 2A 設爲邏輯 0，2B 設爲邏輯 1，於是，我們可
以閉合開關 S1 和 S4，並斷開開關 S2 和 S3。接着，需要將抽頭 2A 設爲邏輯 1，2B 設爲邏輯 0，於是，
我們可以閉合 S2、S3，並斷開 S1 和 S4。與此類似，第三步我們可以閉合 S2、S3 並斷開 S1 和 S4，第
四步則可以閉合 S1、S4 並斷開 S2、S3。
對繞組 1 的激勵方法也不外乎如此，使用一對 H 橋就能產生需要的激勵信號序列。表 2 所示就是激
勵過程中每一步開關所在的位置。
（表 2：雙相電機動作過程中開關的位置）
注意，如果 R=0，而開關 S1 和 S3 又不小心同時閉合，那麼流經開關的電流將達到無窮大。這時，
不但開關會被燒壞，電源也可能損壞，因此電路中使用了一個非零阻值的電阻。儘管這個電阻會帶來一
定的功耗，也會降低電機驅動器的效率，但它可以提供短路保護。
單極電機及其驅動器
前面我們已經討論了雙極步進電機和驅動器。單極電機與雙極電機類似，不同的是在單極電機中外
部能夠接觸到的只有每個繞組的中心抽頭，如圖 6 所示。我們將從繞組頂部抽出的抽頭標爲抽頭 B，底
部抽出的標爲抽頭 A，中間的爲抽頭 C。
（圖 6）
有時我們會遇到一些抽頭沒有標註的電機，如果我們清楚步進電機的構造，就很容易通過測量抽頭
之間的阻值，識別出哪些抽頭屬於哪根繞組。不同繞組的抽頭之間阻抗通常爲無窮大。如果經測量，抽
頭 A 和 C 之間的阻抗爲 100 歐姆，那麼抽頭 B 和 C 之間的阻抗也應是 100 歐姆，而 A 和 B 之間的阻抗
爲 200 歐姆。200 歐姆這一阻抗值就叫做繞組阻抗。
圖 7 給出一個單極電機的單相驅動電路。從中可以看出，當 S1 閉合而 S2 斷開時，電流將由右至左
流經電機繞組；而當 S1 斷開，S2 閉合時，電流流向變爲由左至右。因此，我們僅用兩個開關就能改變
電流的流向(而在雙極電機中需要 4 個開關才能做到)。表 3 所示爲單極電機驅動電路中，每一步激勵時
開關所處的位置。
（圖 7：單極電機的控制電路）
雖然單極電機的驅動器控制起來相對簡單，但由於在電機中使用了中心抽頭，因此它比雙極電機更
複雜，而且其價格通常比雙極電機貴。此外，由於電流只流經一半的電機繞組，所以單極電機只能產生
一半的磁場。
在知道了單極電機和雙極電機的構造原理之後，當我們遇到一個沒有標示抽頭也沒有數據手冊的電
機時，我們就能自己推導出抽頭和繞組的關係。帶 4 個抽頭的電機就是一個雙相雙極電機，我們可以通
過測量導線之間的阻抗來分辨哪兩個抽頭屬於同一個繞組。帶6個抽頭的電機可能是一個雙相單極電機，
也可能是一個三相雙極電機，具體情況可以通過測量導線之間的阻抗來確定。
電機控制
本文前面討論的電機控制理論可以採用全硬件方案實現，也可以用微控制器或 DSP 實現。圖 8 說明
瞭如何用晶體管作爲開關來控制雙相單極電機。每個晶體管的基極都要通過一個電阻連接到微控制器的
一個數字輸出上，阻值可以從 1 到 10M 歐姆，用於限制流入晶體管基極的電流。每個晶體管的發射極均
接地，集電極連到電機繞組的 4 個抽頭。電機的中心抽頭均連接到電源電壓的正端。
（圖 8：步進電機的控制電路圖）
每個晶體管的集電極均通過一個二極管連接到電壓源，以保護晶體管不被旋轉時電機繞組上的感應
電流燒壞。轉子旋轉時，電機繞組上會出現一個感應電壓，如果晶體管集電極沒有通過二極管連接到電
壓源，感應電壓造成的電流就會涌入晶體管的集電極。
舉個例子，假設數字輸出 do1 爲高而 do2 爲低，於是 do1 會使晶體管 T1 導通，電流從+V 流經中心
抽頭和 T1 的基極，然後由 T1 的發射極輸出。但此時 do2 處於斷開狀態，因此電流無法流經 T2。這樣
推理下去，我們就能將表 3 改爲驅動電機所需的微控制器數字輸出的改變順序。
一旦清楚了驅動電機所需的硬件和數字輸出的順序，我們就可以對最順手的微控制器或 DSP 編寫軟
件，實現這些序列。
固件控制
我本人在一塊 Microchip PIC16F877 上，利用 1N4003 二極管和 2SD1276A 達靈頓晶體管實現了以上
談到的電機控制器。PIC 的 PortA 第 0 位到第 3 位用來做數字輸出。電機採用在 Jameco 購買的 5V 雙相
單極電機(Airpax [Thomson]生產，型號爲 M82101-P1)，並且用同一個 5V 電源爲 PIC 和電機供電。但在
真正應用時，爲避免給微控制器的電源信號引入噪聲，建議大家還是分別用不同的電源爲電機和微控制
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