實用電子學/步進電機

步進電機是一種透過每次旋轉一小定角度（通常在 1 到 5 度之間）來旋轉軸的裝置。這非常精確，因此它們非常適合需要運動的應用，而這些運動沒有反饋來控制電機速度。但是，它們不能像更簡單的電機一樣簡單地由直流或交流電壓驅動；它們需要更復雜的電路來驅動它們。

有關步進電機的更多資訊，請訪問《電機和發電機華夏公益教科書》中的“步進電機”頁面。對於本書，我們將只關注基礎知識。步進電機有兩種型別 - 單極和雙極。雙極電機是最簡單的，所以我們將首先看看它們。

雙極電機

雙極電機有兩個線圈，每個線圈的兩端都有一個連線，總共四根線。可以識別出哪根線是哪根線，因為不同線圈之間電阻為無窮大。通常，連線在原理圖中命名，1a 和 1b 是一個線圈的兩個連線，而 2a 和 2b 是另一個線圈的兩個連線。

要透過一步驅動雙極步進電機，線圈必須以特定順序通電。考慮一個線圈；如果 1a 保持高電平，1b 保持低電平，則該線圈被認為是正向導通的。如果 1a 接地，1b 為高電平，則它反向導通。要驅動步進電機，線圈必須交替地從正向導通切換到反向導通。

下表顯示了驅動電機正向旋轉一步時施加到四根線上的輸入電壓。此序列產生的線圈極性顯示在表的右端。

順序	1a	1b	2a	2b	線圈 1 極性	線圈 2 極性
1	+	-	+	-	正向	正向
2	-	+	+	-	反向	正向
3	-	+	-	+	反向	反向
4	+	-	-	+	正向	反向

有很多方法可以生成此序列，從使用基本邏輯到將控制整合到微控制器中。下面是使用簡單邏輯元件製成的電機控制器的電路圖。每次 STEP 輸入發生低電平到高電平的轉換時，電路就會前進一個階段。DIR 輸入控制步進方向；如果它為高電平，它會向一個方向旋轉，如果它為低電平，它會向另一個方向旋轉。

但是，此電路不能單獨驅動步進電機，因為邏輯輸出不能提供足夠的電流。需要某種形式的放大。雙 H 橋佈置可以提供必要的電流和電壓反轉

推薦用於驅動步進電機的電晶體是 MOSFET IRF510 或 IRF530（N 通道）和 IRF9520 或 IRF9530（P 通道）。這些電晶體內建箝位二極體，因此上面的電路中的 D1-D8 是不必要的。如果您在高電流下執行，明智的做法是保留它們以增加保護。但是，任何型別的功率電晶體（FET 或 BJT）都應該適合此用途，只要驅動電機所需的電流不超過電晶體的額定值。

單極電機

單極電機具有更復雜的線圈繞組系統，但驅動方法更簡單。單極電機線圈不是有兩個連線，而是有三個 - 每個線圈都有一箇中心抽頭。因此，單極電機有六根引線，分為兩組，每組三根。有時只有五根，因為中心抽頭可能在內部連線在一起。

要識別未標記的引線，首先找到兩組三根線 - 它們之間根本沒有連線。然後，找到中心抽頭 - 它是與三根線中另外兩根線之間電阻相等的線。如果中心抽頭在內部連線在一起，這將更加困難，但透過反覆試驗，應該可以做到。但是，通常可以透過仔細觀察線從電機中出來的方式來弄清楚連線 - 它們通常在物理上分組為三根線或連線到一個小的 PCB 上，連線邏輯地佈置。

透過將此中心抽頭保持在公共電壓（可能是接地）並切換用於為電機供電的電壓，從線圈的一端切換到另一端，可以反轉電壓流的方向。

單極電機中的繞組是雙線繞組，這意味著有兩個線圈相互纏繞 - 一個連線“a”聯結器到中心抽頭，另一個連線“b”聯結器到中心抽頭。由於雙線繞組的每一半都與雙極電機中的一個線圈一樣大，因此單極電機往往比雙極電機更寬。

單極電機的優點是，不需要 H 橋驅動器，因為需要做的就是線上圈通電時，將高電壓施加到聯結器之一 - 另一端不需要相反的處理，它可以斷開連線而不是連線到相反的電源軌。

施加到聯結器 1a、1b、2a 和 2b 的電壓序列與之前相同，因此 XOR 門和 JK 觸發器（或 PIC 等）系統可用於單極電機。但是，電晶體驅動電路更簡單

任何型別的功率電晶體（FET 或 BJT）都應該適合此用途，只要驅動電機所需的電流不超過電晶體的額定值。建議使用 IRF520、TIP31、TIP120 等電晶體。同樣，如果電晶體內建箝位二極體，則不需要單獨的二極體，但如果保留它們也不會造成任何損壞（任何電壓和正向電流值類似於電晶體的二極體都適合）。

如果需要，單極電機可以忽略中心抽頭，用作雙極電機。這會導致扭矩降低，因為線圈的長度是原來的兩倍，因此電阻是原來的兩倍，電流是原來的一半。或者，忽略一個端連線，使用繞組的一半。這應該提供與電機正常使用時完全相同的特性。但是，應注意絕緣懸空的線，因為它會像自耦變壓器一樣工作，並將施加到下半線圈的電壓增加一倍。