步進電動機的工作原理及驅(qū)動方法

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作者：時間：2007-12-05 來源：電子元器件網(wǎng)

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　　步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件。步進電動機的輸入量是脈沖序列，輸出量則為相應(yīng)的增量位移或步進運動。正常運動情況下，它每轉(zhuǎn)一周具有固定的步數(shù)；做連續(xù)步進運動時，其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電動機能直接接受數(shù)字量的控制，所以特別適宜采用微機進行控制。

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/73889.htm

1.步進電動機的種類

　　目前常用的有三種步進電動機：

　　(1)反應(yīng)式步進電動機(VR)。反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角小；但動態(tài)性能差。

　　(2)永磁式步進電動機(PM)。永磁式步進電動機出力大，動態(tài)性能好；但步距角大。

　　(3)混合式步進電動機(HB)?；旌鲜讲竭M電動機綜合了反應(yīng)式、永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點，它的步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是目前性能最高的步進電動機。它有時也稱作永磁感應(yīng)子式步進電動機。

2.步進電動機的工作原理

圖1 三相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖

1——定子 2——轉(zhuǎn)子 3——定子繞組{{分頁}}

　　圖1是最常見的三相反應(yīng)式步進電動機的剖面示意圖。電機的定子上有六個均布的磁極，其夾角是60º。各磁極上套有線圈，按圖1連成A、B、C三相繞組。轉(zhuǎn)子上均布40個小齒。所以每個齒的齒距為θ_E=360º/40=9º，而定子每個磁極的極弧上也有5個小齒，且定子和轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬均相同。由于定子和轉(zhuǎn)子的小齒數(shù)目分別是30和40，其比值是一分數(shù)，這就產(chǎn)生了所謂的齒錯位的情況。若以A相磁極小齒和轉(zhuǎn)子的小齒對齊，如圖1，那么B相和C相磁極的齒就會分別和轉(zhuǎn)子齒相錯三分之一的齒距，即3º。因此，B、C極下的磁阻比A磁極下的磁阻大。若給B相通電，B相繞組產(chǎn)生定子磁場，其磁力線穿越B相磁極，并力圖按磁阻最小的路徑閉合，這就使轉(zhuǎn)子受到反應(yīng)轉(zhuǎn)矩（磁阻轉(zhuǎn)矩）的作用而轉(zhuǎn)動，直到B磁極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對齊，恰好轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過3º；此時A、C磁極下的齒又分別與轉(zhuǎn)子齒錯開三分之一齒距。接著停止對B相繞組通電，而改為C相繞組通電，同理受反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)子按順時針方向再轉(zhuǎn)過3º。依次類推，當三相繞組按A→B→C→A順序循環(huán)通電時，轉(zhuǎn)子會按順時針方向，以每個通電脈沖轉(zhuǎn)動3º的規(guī)律步進式轉(zhuǎn)動起來。若改變通電順序，按A→C→B→A順序循環(huán)通電，則轉(zhuǎn)子就按逆時針方向以每個通電脈沖轉(zhuǎn)動3º的規(guī)律轉(zhuǎn)動。因為每一瞬間只有一相繞組通電，并且按三種通電狀態(tài)循環(huán)通電，故稱為單三拍運行方式。單三拍運行時的步矩角θ_b為30º。三相步進電動機還有兩種通電方式，它們分別是雙三拍運行，即按AB→BC→CA→AB順序循環(huán)通電的方式，以及單、雙六拍運行，即按A→AB→B→BC→C→CA→A順序循環(huán)通電的方式。六拍運行時的步矩角將減小一半。反應(yīng)式步進電動機的步距角可按下式計算：

θ_b=360º/NE_r (1)

式中 E_r——轉(zhuǎn)子齒數(shù)；

N——運行拍數(shù)，N=km，m為步進電動機的繞組相數(shù)，k=1或2。

3.步進電動機的驅(qū)動方法

　　步進電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅(qū)動器，如圖2所示，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。圖中點劃線所包圍的二個單元可以用微機控制來實現(xiàn)。驅(qū)動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口，這里予以簡單介紹。

圖2 步進電動機驅(qū)動控制器

1. 單電壓功率驅(qū)動接口

　　實用電路如圖3所示。在電機繞組回路中串有電阻R_s，使電機回路時間常數(shù)減小，高頻時電機能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡單單電壓驅(qū)動線路中，R_s是不可缺少的。R_s對步進電動機單步響應(yīng)的改善如圖3(b)。{{分頁}}

圖3 單電壓功率驅(qū)動接口及單步響應(yīng)曲線

圖4 雙電壓功率驅(qū)動接口

2.雙電壓功率驅(qū)動接口

　　雙電壓驅(qū)動的功率接口如圖4所示。雙電壓驅(qū)動的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓U_L驅(qū)動，而在高速（高頻段）時用較高的電壓U_H驅(qū)動。這種功率接口需要兩個控制信號，U_h為高壓有效控制信號，U為脈沖調(diào)寬驅(qū)動控制信號。圖中，功率管T_H和二極管D_L構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當U_h低電平，T_H關(guān)斷，D_L正偏置，低電壓U_L對繞組供電。反之U_h高電平，T_H導(dǎo)通，D_L反偏，高電壓U_H對繞組供電。這種電路可使電機在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時功耗減小。

3.高低壓功率驅(qū)動接口

圖5 高低壓功率驅(qū)動接口

　　高低壓功率驅(qū)動接口如圖5所示。高低壓驅(qū)動的設(shè)計思想是，不論電機工作頻率如何，均利用高電壓U_H供電來提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓U_L來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻R_s，消除了附加損耗。高低壓驅(qū)動功率接口也有兩個輸入控制信號U_h和U_l，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時刻跳變，如圖5所示。圖中，高壓管VT_H的導(dǎo)通時間t_l不能太大，也不能太小，太大時，電機電流過載；太小時，動態(tài)性能改善不明顯。一般可取1~3ms。（當這個數(shù)值與電機的電氣時間常數(shù)相當時比較合適）。{{分頁}}

4.斬波恒流功率驅(qū)動接口

　　恒流驅(qū)動的設(shè)計思想是，設(shè)法使導(dǎo)通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時均保持固定數(shù)值。使電機具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性。這是目前使用較多、效果較好的一種功率接口。圖6是斬波恒流功率接口原理圖。圖中R是一個用于電流采樣的小阻值電阻，稱為采樣電阻。當電流不大時，VT₁和VT₂同時受控于走步脈沖，當電流超過恒流給定的數(shù)值，VT₂被封鎖，電源U被切除。由于電機繞組具有較大電感，此時靠二極管VD續(xù)流，維持繞組電流，電機靠消耗電感中的磁場能量產(chǎn)生出力。此時電流將按指數(shù)曲線衰減，同樣電流采樣值將減小。當電流小于恒流給定的數(shù)值，VT₂導(dǎo)通，電源再次接通。如此反復(fù)，電機繞組電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上，形成小小的鋸齒波，如圖6所示。

圖6 斬波恒流功率驅(qū)動接口

　　斬波恒流功率驅(qū)動接口也有兩個輸入控制信號，其中u₁是數(shù)字脈沖，u₂是模擬信號。這種功率接口的特點是：高頻響應(yīng)大大提高，接近恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，共振現(xiàn)象消除，但線路較復(fù)雜。目前已有相應(yīng)的集成功率模塊可供采用。

5.升頻升壓功率驅(qū)動接口

　　為了進一步提高驅(qū)動系統(tǒng)的高頻響應(yīng)，可采用升頻升壓功率驅(qū)動接口。這種接口對繞組提供的電壓與電機的運行頻率成線性關(guān)系。它的主回路實際上是一個開關(guān)穩(wěn)壓電源，利用頻率-電壓變換器，將驅(qū)動脈沖的頻率轉(zhuǎn)換成直流電平，并用此電平去控制開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸入，這就構(gòu)成了具有頻率反饋的功率驅(qū)動接口。

6.集成功率驅(qū)動接口

　　目前已有多種用于小功率步進電動機的集成功率驅(qū)動接口電路可供選用。

　　L298芯片是一種H橋式驅(qū)動器，它設(shè)計成接受標準TTL邏輯電平信號，可用來驅(qū)動電感性負載。H橋可承受46V電壓，相電流高達2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的邏輯電路使用5V電源，功放級使用5~46V電壓，下橋發(fā)射極均單獨引出，以便接入電流取樣電阻。L298(等)采用15腳雙列直插小瓦數(shù)式封裝，工業(yè)品等級。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。H橋驅(qū)動的主要特點是能夠?qū)﹄姍C繞組進行正、反兩個方向通電。L298特別適用于對二相或四相步進電動機的驅(qū)動。{{分頁}}