步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和三種控制模式

在如今這個(gè)智能時(shí)代，步進(jìn)電機(jī)因其特有的開環(huán)位置控制性能而被廣泛應(yīng)用。各設(shè)備在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，對(duì)它輸出力矩的平滑性有一定的要求。轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性除了和步進(jìn)電機(jī)的本體結(jié)構(gòu)有關(guān)，也和步進(jìn)電機(jī)的控制方式息息相關(guān)。

本文將介紹雙極性步進(jìn)電機(jī)及其結(jié)構(gòu)和控制模式。

雙極性步進(jìn)電機(jī)的基本組件

步進(jìn)電機(jī)屬于無刷直流（BLDC）電機(jī)，它按照等長的步進(jìn)值逐步轉(zhuǎn)動(dòng)。而雙極性步進(jìn)電機(jī)則是每相都擁有一個(gè)繞組的步進(jìn)電機(jī)，具體而言是兩相四線步進(jìn)電機(jī)。它由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)主要部件組成（見圖1）。

圖1：雙極性步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

定子

定子是電機(jī)的靜止部分。8個(gè)定子上分別繞有兩相雙極性繞組，每個(gè)定子鐵芯上帶有五齒（見圖1）。

A相繞組繞線從定子1開始繞，依次繞到定子3、5、7上（見圖2）。值得注意的是，定子1和5的繞線方向相同，而定子3和7的繞線方向相同。這兩組（定子1和5，以及定子3和7）的繞線方向相反。B相繞組也是以同樣的原理進(jìn)行繞制，其中定子4和8為一組，定子2和6為一組。

圖2：雙極性步進(jìn)電機(jī)的繞組原理圖

轉(zhuǎn)子

通常轉(zhuǎn)子上貼有軸向充磁的永磁體。圖3所示為轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。

圖3：轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

圖4展示了轉(zhuǎn)子的側(cè)面截面圖。

圖4：轉(zhuǎn)子側(cè)面截面圖

永磁體的磁力線在電機(jī)本體內(nèi)形成閉合。由于磁力線和磁阻效應(yīng)，即使步進(jìn)電機(jī)在不通電的情況下也有一定的鎖定力矩（見圖4）。

轉(zhuǎn)子上擁有50個(gè)齒，和定子齒輪相對(duì)起來，由于這樣的齒數(shù)和相數(shù)結(jié)構(gòu)，它擁有1.8度的步進(jìn)角度（見圖5）。步進(jìn)角度：電氣周期完成90度，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子前進(jìn)的機(jī)械角度。

圖5：1.8°步進(jìn)角度結(jié)構(gòu)示意圖

步進(jìn)模式

為了方便講解后續(xù)的控制方式，我們將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)圖簡化為示意圖（見圖6）。

圖6：雙極性步進(jìn)電機(jī)簡化示意圖

步進(jìn)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子可以被看作都只有一個(gè)齒，這使步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式不同于其他電機(jī)。這種方法叫做雙全橋驅(qū)動(dòng)，其中A相繞組接在第一個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)上， B相繞組接在第二個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)上（見圖7）。

圖7：雙全橋驅(qū)動(dòng)電路圖

雙極性步進(jìn)電機(jī)具有三種控制模式：單相步進(jìn)、整步步進(jìn)和半步步進(jìn)（見表1）。

表1：步進(jìn)模式表

單相步進(jìn)

當(dāng)A相和B相按照單相步進(jìn)的模式依次通電的時(shí)候，定子磁場會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子也會(huì)由于極性吸引而轉(zhuǎn)動(dòng)。表1中詳細(xì)描述了A相和B相（AB）的通電順序和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。

單相步進(jìn)過程具體包括三個(gè)步驟，如下所述：

· 當(dāng)A通電的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)電流由Q1流向Q4。此時(shí)定子A上端為N，下端在S，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到位置8（見圖6）。

· 接下來，B相通電，驅(qū)動(dòng)電流由Q5流向Q8。此時(shí)定子B左端為S，右端為N，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到位置2（見圖6）。

· 接下來兩個(gè)狀態(tài)原理和上面類似，循環(huán)這一通電順序，轉(zhuǎn)子就開始轉(zhuǎn)動(dòng)起來。

圖8顯示了單相步進(jìn)AB相的電流波形。

圖8：單相步進(jìn)AB相電流波形圖

整步步進(jìn)

與單相步進(jìn)不同的是，整步步進(jìn)式AB繞組會(huì)同時(shí)進(jìn)行通電。另外還有四個(gè)對(duì)應(yīng)的通電方式和轉(zhuǎn)子電氣位置，只是其位置空間在電氣空間上不同于單相步進(jìn)。根據(jù)整部的通電順序，轉(zhuǎn)子也能轉(zhuǎn)動(dòng)起來。圖9顯示了AB相的整步電流波形。

圖9：整步步進(jìn)AB相電流波形圖

半步步進(jìn)

半步模式將單相步進(jìn)和整步步進(jìn)這兩種控制方式進(jìn)行融合，它的電氣角度位置更多，電流波形更加細(xì)致，轉(zhuǎn)動(dòng)更加平滑。

圖10顯示了單相到兩相操作的非循環(huán)半步模式。這種模式在整步和半步之間交替生成8步序列。

圖10：非循環(huán)半步模式

結(jié)語

本文回顧了雙極性步進(jìn)電機(jī)的基本組件（定子和轉(zhuǎn)子），以及三種主要的控制模式：單相步進(jìn)、整步步進(jìn)和半步步進(jìn)。