一、引言

在控制系统中，执行器（Actuator） 是接收来自控制电路或信号输入的装置，用于驱动某种机械输出或物理动作，例如运动、转动或开关操作。
执行器可以通过电能、液压或气动等多种形式获得能量。

在电子控制系统中，最常用的执行器是电动机（Motor），它能将电能转换为机械能，并以旋转运动或线性运动形式输出。
电机根据其控制方式、结构与供电特性，可分为：

• 直流电机（DC Motor）；

• 交流电机（AC Motor）；

• 步进电机（Stepper Motor）；

• 伺服电机（Servo Motor）等。

在自动化控制领域，直流电机（DC Motor） 因其转速可精确控制、响应快、易于驱动而被广泛使用。
而步进电机（Stepper Motor） 则因其角度可离散控制、适合数字脉冲输入而成为开环系统的理想选择。

二、直流电机的原理与构造

直流电机的基本原理基于电磁感应定律。
当通电导体置于磁场中时，会受到垂直于电流方向与磁场方向的力（即弗莱明左手定则所示方向）。
这种力在导体上产生转矩，从而使转子旋转。

同时，当导体运动时，也会在其两端感应出电压（反电动势 Back EMF），其大小与转速成正比，方向与电源电压相反。

直流电机主要由两部分组成：

1. 定子（Stator）：提供磁场，通常由永磁体或励磁线圈构成；

2. 转子（Rotor）或电枢（Armature）：通电后产生转矩，使电机旋转。

(1) 电磁力与转矩公式

假设电枢绕组中流过电流 IaI_aIa，磁通密度为 $B$，导体长度为 $l$，位于磁场中长度为 $r$ 的转子上，则其受到的力为：

F=BIalF = B I_a lF=BIal

该力产生的转矩为：

T=Fr=BIalrT = F r = B I_a l rT=Fr=BIalr

综合导体数量及有效磁场后，可得电机的转矩方程：

T=Kt×IaT = K_t times I_aT=Kt×Ia

其中：

• $T$：电磁转矩；

• KtK_tKt：电机转矩常数；

• IaI_aIa：电枢电流。

(2) 电机电压方程

当电机转动时，产生的反电动势（Back EMF）为：

Eb=Ke×ωE_b = K_e times omegaEb=Ke×ω

其中：

• EbE_bEb：反电动势；

• KeK_eKe：反电动势常数；

• $\omega$：角速度（rad/s）。

因此，电机的电压平衡方程为：

V=Eb+IaRaV = E_b + I_a R_aV=Eb+IaRa

即输入端电压 $V$ 等于反电动势 EbE_bEb 与电枢电阻压降 IaRaI_a R_aIaRa 之和。
这说明电机的转速与输入电压成正比，而与负载电流成反比。

三、直流电机的控制方式

直流电机的速度可通过以下三种方式控制：

1. 调节输入电压（Armature Voltage Control）：改变供电电压，直接影响转速；

2. 调节磁场强度（Field Control）：通过改变励磁电流调整磁通量；

3. 脉宽调制（PWM Control）：利用占空比控制电机平均输入功率。

其中，PWM 调速 是最常见且高效的电子控制方法。

(1) PWM 调速原理

PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是一种通过改变信号占空比（高电平时间与周期比值）控制平均电压的技术。
对直流电机而言：

• 高占空比（如 90%） → 电机高速旋转；

• 低占空比（如 20%） → 电机低速旋转。

若周期恒定、仅占空比变化，则电机可在全速范围内平滑调速。
PWM 控制的优势在于：

• 功率损耗小（开关器件工作于饱和或截止状态）；

• 可由单片机直接输出控制信号；

• 可轻易实现闭环控制（与速度反馈结合）。

(2) 电机驱动电路——H 桥结构

直流电机在控制电流方向时，通常采用H 桥（H-Bridge）电路。
其由四个开关元件（晶体管或 MOSFET）组成，构成“H”字形结构：电机为横杆，四开关为竖杆。

H 桥可实现三种主要状态：

• 正转（Q1、Q4 导通）；

• 反转（Q2、Q3 导通）；

• 停止或制动（全关或短路制动）。

H 桥在实际控制中常加入续流二极管（Flyback Diode），用于吸收电机电感产生的反向电压尖峰，保护功率管。

(3) 电机驱动器与逻辑接口

单片机无法直接驱动电机线圈（电流不足），因此通常使用驱动芯片：

• L293D / L298N：双通道 H 桥，支持双向控制；

• DRV8833、TB6612FNG：高效率 MOSFET 驱动，适合 PWM 调速；

• ULN2003：晶体管阵列，常用于低压电机与继电器控制。

这些驱动器可与微控制器（Arduino、Raspberry Pi、STM32 等）直接通信，实现方向与速度调节。

(4) 电机反电动势与能量回馈

当电机在高惯量负载下减速时，其转子仍因惯性而继续旋转，此时电机会像发电机一样在端口产生反电压。
若系统未设计回馈通路，这个电压会损坏驱动器件。
解决方式包括：

• 使用二极管箝位；

• 采用再生制动电路（Regenerative Braking），将能量回收至电源端；

• 或通过 PWM 制动实现安全停机。

四、直流电机的分类与特性

现代电子系统中多采用 永磁直流电机（PMDC），因其无需励磁线圈，适合低压、便携设备。

(5) 速度–转矩特性

直流电机的负载特性曲线表明：

• 当负载增加（电枢电流上升），转速略降；

• 反电动势降低，维持功率平衡；

• 过载时电流急增，需加保护电路（如限流或热保护）。

这类线性关系使得直流电机在闭环速度控制中极为易用。

第二部分：步进电机（Stepper Motor）

一、步进电机的基本概念

步进电机（Stepper Motor） 是一种能够将数字脉冲信号直接转换为机械角位移的电机。
每当接收到一个输入脉冲信号，电机便旋转一个固定角度（称为“步距角”），由此可实现精确的角度控制。

由于步进电机的输入信号是离散脉冲形式，因此它非常适合与数字逻辑或微控制器系统配合使用。
它常被用作开环控制系统的执行机构，可在无需反馈的情况下实现位置与速度控制。

二、步进电机的工作原理

步进电机通常由一个带齿的转子和多个定子线圈组成。
控制器按一定的**相序（Phase Sequence）**依次给各线圈通电，从而在定子周围形成旋转磁场。
转子在磁场作用下逐步移动，使每个脉冲对应一个固定角度的旋转。

例如，当 A、B、C、D 四个相绕组按顺序激励时，转子将顺时针旋转；
若相序反转（D→C→B→A），则转子反向旋转。

步距角计算公式：

θ=360°n×mtheta = frac{360°}{n times m}θ=n×m360°

其中：

• $n$：定子相数（Phase Number）；

• $m$：转子齿数（Teeth Number）。

举例：若电机为四相 50 齿，则每步旋转角度：

θ=360°4×50=1.8°theta = frac{360°}{4 times 50} = 1.8°θ=4×50360°=1.8°

即每接收一个脉冲信号，电机旋转 1.8°。

三、步进电机的类型

步进电机根据磁路结构与驱动方式的不同，可分为以下三种主要类型：

混合式步进电机（Hybrid Stepper Motor） 是目前应用最广的型号，尤其在 3D 打印机、CNC 机床、精密仪器中被广泛使用。

四、步进电机的励磁方式

(1) 单极性驱动（Unipolar Drive）

每相绕组有中心抽头，通过单向电流产生磁场。
这种结构无需切换电流方向，只需依次通断线圈即可产生旋转磁场。

优点：

• 驱动电路简单；

• 易于控制；

• 可用晶体管阵列（如 ULN2003）直接驱动。

缺点：

• 线圈的一半绕组在任意时刻未被使用，效率较低。

(2) 双极性驱动（Bipolar Drive）

每相线圈无中心抽头，必须改变电流方向才能实现极性反转。
控制电路通常为 H 桥结构，使用 MOSFET 或晶体管阵列控制。

优点：

• 所有绕组都参与工作，磁场更强；

• 扭矩较大，精度更高；

• 更适合高性能系统。

缺点：

• 驱动电路复杂；

• 需专用芯片（如 L298、DRV8825、A4988）控制。

五、步进电机的驱动方式

根据每步的激励线圈数量与顺序，可分为以下几种常见驱动模式：

(1) 半步驱动示例（以四相为例）

这种激励方式下，每两步为一个完整周期。相序反转即可改变旋转方向。

(2) 微步驱动（Microstepping Drive）

微步控制通过改变各相线圈电流的幅度比例（通常为正弦/余弦波形），使转子能在相邻磁场间平滑移动。

例如：
当 A 相电流为 IA=Imaxsin⁡(θ)I_A = I_{max} sin(theta)IA=Imaxsin(θ)，
B 相电流为 IB=Imaxcos⁡(θ)I_B = I_{max} cos(theta)IB=Imaxcos(θ)，
转子在磁场旋转下可实现任意角度定位。

优点：

• 减小振动与噪声；

• 提高分辨率（最高可达每步 1/256）；

• 有效避免共振。

六、步进电机的速度与脉冲关系

电机的转速与输入脉冲频率直接相关：

N=fpnN = frac{f_p}{n}N=nfp

其中：

• $N$：转速（rps，转/秒）；

• fpf_pfp：输入脉冲频率（Hz）；

• $n$：每转步数（Steps per Revolution）。

例如，一台 1.8° 步距角电机每转需 200 步，若输入 1000 Hz 脉冲，则：

N=1000200=5 rps=300 rpmN = frac{1000}{200} = 5 text{ rps} = 300 text{ rpm}N=2001000=5 rps=300 rpm

七、步进电机的动态特性

1. 起动频率（Start Frequency）
   电机能从静止状态立即启动的最高脉冲频率。
   若频率过高，转子可能无法同步，导致丢步。

2. 最大响应频率（Pull-in Range）
   能从静止状态直接响应的频率范围。

3. 跟随范围（Pull-out Range）
   电机在运转状态下仍能跟随输入脉冲变化的最高频率。

4. 共振区间
   电机机械系统固有频率与脉冲频率接近时，会发生机械振动与噪声。
   微步驱动与阻尼电路可有效抑制此现象。

八、步进电机的控制电路

(1) 控制信号生成

微控制器通过输出脉冲序列控制步进驱动器的方向与速度。
常见接口信号包括：

• STEP（步进信号）：每个脉冲对应一步；

• DIR（方向信号）：控制正转或反转；

• EN（使能信号）：允许或禁止驱动输出。

(2) 常用驱动芯片

九、步进电机的优缺点

优点：

• 无需反馈即可实现精确位置控制；

• 启停响应迅速；

• 保持力矩大；

• 控制方式数字化、易编程；

• 可靠性高，无刷、寿命长。

缺点：

• 容易产生共振；

• 在高速运行时转矩下降；

• 若负载过大可能丢步；

• 能耗高，发热较大。

第三部分：直流电机与步进电机的比较及执行系统应用

一、直流电机与步进电机的特性比较

在自动控制系统中，直流电机（DC Motor）与步进电机（Stepper Motor）常作为执行器使用。
两者的选择取决于系统对速度、精度、成本与控制复杂度的要求。

下表为两种电机的主要性能对比：

总结：

• 若系统要求连续旋转与快速响应 → 选用直流电机。

• 若系统要求精确定位与数字控制 → 选用步进电机。

二、电机在自动控制系统中的接口与信号处理

无论直流电机还是步进电机，都需要电子接口电路来实现与控制器（如 MCU 或 PLC）的连接。
常见控制信号包括方向、启停、速度与反馈量。

(1) 直流电机接口

直流电机通常通过以下结构实现控制：

• 微控制器输出 PWM → 经驱动芯片（L298N、DRV8833） → 控制电机正反转与速度；

• 电流检测电阻用于监控负载状态；

• 若为闭环控制，则编码器信号反馈至 MCU 进行 PID 调节。

(2) 步进电机接口

步进电机驱动器接受控制器发出的两种信号：

• STEP（步进信号）：每个脉冲对应一个步距角；

• DIR（方向信号）：确定旋转方向。
  驱动器根据设定的细分模式（Full/Half/Microstep）产生相应相序，输出至电机绕组。
  部分高端驱动器还可接收加速、减速曲线或速度命令。

三、步进电机与直流伺服电机的比较

在高精度控制领域，常将步进电机与带反馈的直流伺服电机进行比较。

四、驱动与保护设计要点

(1) 电机过流与过热保护

• 在驱动电路中加入电流检测电阻；

• 使用运算放大器或比较器限制电流；

• 热敏传感器或温控芯片用于监测绕组温度。

(2) 电磁干扰（EMI）抑制

• PWM 调制时需使用缓冲电路与滤波电容；

• 布线时应将电机供电与信号线分离；

• 对步进驱动器，应加装 RC 滤波与屏蔽电缆。

(3) 反馈与控制算法

• 对直流电机使用PID 控制算法进行速度调节；

• 对步进电机，可实现**加减速曲线控制（Trapezoidal / S 曲线）**以防失步；

• 高级系统可使用**FOC（Field-Oriented Control）**算法实现更高精度。

五、典型应用实例

1. 机器人驱动系统

• 步进电机用于关节定位与机械臂精确旋转；

• 直流电机用于车轮驱动与移动控制；

• 两者结合形成完整运动控制系统。

2. 数控机床（CNC）与 3D 打印机

• 步进电机驱动 X、Y、Z 轴，实现精密位移；

• 微步驱动消除共振并提高表面加工质量。

3. 自动门与智能窗系统

• DC 电机配合限位开关实现启闭控制；

• PWM 调速实现柔性启停。

4. 医疗仪器与实验设备

• 步进电机控制注射泵、微量分液器或显微平台；

• 保证定量精度与重复性。

5. 新能源与工业设备

• DC 电机用于小型风力系统、冷却泵、风机；

• 步进电机用于太阳能跟踪器与定位平台。

六、电机驱动的信号调理与放大

传感器与控制系统间的接口通常包括信号放大、滤波与隔离。
对执行电机而言，驱动级需要将微控制器的低功率信号放大到足以驱动线圈的电平。
常见信号调理模块包括：

• 光耦隔离模块（Optocoupler Board）；

• 电流检测与反馈放大器；

• 晶体管阵列或 MOSFET 驱动模块；

• 保护二极管阵列吸收反向电动势。

对于步进电机控制器，还需设计合适的加速与减速曲线（Ramp Generator），以保证电机平滑启动。

七、直流电机与步进电机的综合优缺点总结

八、未来发展趋势

1. 融合型驱动技术

• 混合式电机（Hybrid Motor）结合步进与伺服特性，实现高精度与高响应。

2. 智能控制与自学习算法

• 通过 AI 与数据建模优化驱动参数，实现自适应调速。

3. 系统集成化

• 电机、驱动与控制器一体化模块成为智能制造标准组件。

4. 高效功率电子技术

• 采用 GaN、SiC 器件实现高频低损耗开关控制。

【编辑点评】

1. 技术意义与发展背景
直流电机与步进电机是电子控制系统最基础、最成熟的两类执行机构。
从传统的机械驱动到智能化控制，它们的应用贯穿了工业自动化、机器人、能源装备及精密仪器等多个领域。
两者的技术演进体现了机电系统从模拟功率控制 → 数字化 → 智能驱动的过程。

2. 工程应用趋势

• 直流电机（DC） 仍是连续运动控制的首选，适用于需要快速响应的场景；

• 步进电机（Stepper） 因具备“天然数字化”特征，成为开环定位与智能硬件的首选执行器；

• 智能驱动芯片与微步算法 的普及，让步进电机运行更平滑、安静，精度更高；

• 无刷直流（BLDC） 与 闭环步进系统 的融合，正在模糊两类电机的界限。

3. 行业展望
EEPW 认为：
未来电机控制的发展方向将集中于以下三点：

• 智能化：具备故障诊断、温控与自校准功能的电机模块；

• 高能效：结合能量回馈与低损耗功率器件；

• 通信与集成：通过 CAN、RS485、EtherCAT 等工业总线实现“即插即控”执行单元。

电机已不再只是能量转换器，而是具备感知 + 控制 + 通信能力的智能执行系统。
直流与步进电机的融合与升级，将成为未来智能制造与机器人控制体系的核心支撑。