步進(jìn)電機(jī)原理介紹

。步進(jìn)電機(jī)也叫步進(jìn)器， 它利用電磁學(xué)原理， 將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能， 人們早在20世紀(jì)20年代就開始使用這種電機(jī)。 隨著嵌入式系統(tǒng)(例如打印機(jī)、磁盤驅(qū)動器、玩具、雨刷、震動尋呼機(jī)、機(jī)械手臂和錄像機(jī)等 )的日益流行，步進(jìn)電機(jī)的使用也開始暴增。不論在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、汽車還是娛樂業(yè)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(jìn)電機(jī)就一定能派上用場。 步進(jìn)電機(jī)有許多種形狀和尺寸，但不論形狀和尺寸如何， 它們都可以歸為兩類： 可變磁阻步進(jìn)電機(jī)和永磁步進(jìn)電機(jī)。本文重點(diǎn)討論更為簡單也更常用的永磁步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造如圖1所示，步進(jìn)電機(jī)是由一組纏繞在電機(jī)固定部件 --定子齒槽上的線圈驅(qū)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(jī)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，并且我們從電機(jī)頂部向下看齒槽的頂部， 那么電流在繞兩個齒槽按逆時針流向流動。 根據(jù)安培定律和右手準(zhǔn)則，這樣的電流會產(chǎn)生一個北極向上的磁場。精選資料，歡迎下載?，F(xiàn)在假設(shè)我們構(gòu)造一個定子上纏繞有兩個繞組的電機(jī)， 內(nèi)置一個能夠繞中心任意轉(zhuǎn)動的永久磁鐵，這個可旋轉(zhuǎn)部分叫做轉(zhuǎn)子。圖 2給出了一種簡單的電機(jī)，叫做雙相雙極電機(jī)，因?yàn)槠涠ㄗ由嫌袃蓚€繞組， 而且其轉(zhuǎn)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，那么電機(jī)轉(zhuǎn)子的南極就會自然地按圖中所示，指向定子磁場的北極。再假設(shè)我們切斷繞組 1中的電流，而按圖 2b所示方向給繞組 2輸送電流，那么定子的磁場就會指向左側(cè)，而轉(zhuǎn)子也會隨之旋轉(zhuǎn)，與定子磁場方向保持一致接著，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。于是定子的磁場北極就會指向下，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其南極也指向下方。然后我們又切斷繞組 1中的電流，按照圖 2d所示方向給繞組 2輸送電流，于精選資料，歡迎下載。是定子磁場又會指向右側(cè)，從而使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其南極也指向右側(cè)。 。最后，我們再一次切斷繞組 2中的電流，并給繞組 1輸送如圖2a所示的電流，這樣，轉(zhuǎn)子又會回到原來的位置。至此，我們對電機(jī)繞組完成了一個周期的電激勵，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一整圈。也就是說，電機(jī)的電頻率等于它轉(zhuǎn)動的機(jī)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，那么電機(jī)的電頻率就是1Hz。其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一周，因而其機(jī)械頻率也是 1Hz。總之，一個雙相步進(jìn)電機(jī)的電頻率和機(jī)械頻率之間的關(guān)系可以用下式表示：fe=fm*P/2(1)精選資料，歡迎下載。其中，fe代表電機(jī)的電頻率， fm代表其機(jī)械頻率，而 P則代表電機(jī)轉(zhuǎn)子的等距磁極數(shù)。從圖2中我們還可以看出，每一步操作都會使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 90°，也就是說，一個雙相步進(jìn)電機(jī)每一步操作造成的旋轉(zhuǎn)度數(shù)可由下式表示：1step=180 °/P(2)由等式(2)可知，一個雙極電機(jī)每動作一次可以旋轉(zhuǎn) 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(jī)的磁極數(shù)越多，步進(jìn)精度就越高。常見的是磁極數(shù)在 12和200個之間的雙相步進(jìn)電機(jī)，這些電機(jī)的步進(jìn)精度在15°和0.9°之間。精選資料，歡迎下載。圖3給出的例子是一個雙相、 6極步進(jìn)電機(jī)，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(chǎn)生一個北極指向其頂部的磁場，于是，轉(zhuǎn)子的南極 (圖3a中紅色的“S”一端)轉(zhuǎn)向了該圖的上方。接著，在圖 3b中，我們給繞組 2施加電壓，定子中產(chǎn)生一個北極指向其左側(cè)的磁場。于是，轉(zhuǎn)子的一個距離最近的南極轉(zhuǎn)向了圖的左方， 即轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)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(chǎn)生一個北極指向圖下方的磁場，從而又使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn) 30°到達(dá)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(chǎn)生一個北極指向定子右側(cè)的磁場，再一次使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn) 30°，到達(dá)圖3d所示的位置。最后，我們再向繞組1施加電壓，產(chǎn)生一個如圖 3a所示的北極指向定子上方的磁場，使得轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)30°，結(jié)束一個電周期。如此可以看出， 4步電激勵造成了 120°的機(jī)械旋轉(zhuǎn)。也就是說，該電機(jī)的電頻率是機(jī)械頻率的 3倍，這一結(jié)果符合等式 (1)。此外，我們從圖3和等式(2)也能看出，該電機(jī)的轉(zhuǎn)子每一步旋轉(zhuǎn) 30°。如果同時向兩個繞組輸送電流，還能增大電機(jī)的扭矩，如圖 4所示。這時，電機(jī)定子的磁場是兩個繞組各自產(chǎn)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(jī)旋轉(zhuǎn) 90°，就象圖2和圖3中一樣，但因?yàn)槲覀兺瑫r激勵兩個電機(jī)繞組，所以此時的磁場比單獨(dú)激勵一個繞組時更強(qiáng)。 由于該磁場是兩個垂直場的矢量和，因此它等于單獨(dú)每個場的 2×1.414倍，從而電機(jī)對其負(fù)載施加的扭矩也成精選資料，歡迎下載。正比增大。電機(jī)的激勵順序既然我們知道了一系列激勵會使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)， 接下來就要設(shè)計(jì)硬件來實(shí)現(xiàn)所需的步進(jìn)序列。一塊能讓電機(jī)動起來的硬件 (或結(jié)合了硬件和軟件的一套設(shè)備 )就叫做電機(jī)驅(qū)動器。從圖4中可以看出我們怎樣激勵雙相電機(jī)的繞組才能使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)， 圖中，電機(jī)內(nèi)的繞組抽頭分別被標(biāo)為 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，并將 1A和2A接地。然后，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(shí)取決于導(dǎo)線繞齒槽纏繞的方向，假設(shè)導(dǎo)線纏繞的方向與上一節(jié)所述相符。 依次進(jìn)行下去，我們就得到了表1中總結(jié)的激勵順序，其中， “1”表示正電壓，“0”表示接地。精選資料，歡迎下載。電流在電機(jī)繞組中有兩種可能的流向， 這樣的電機(jī)就叫做雙極電機(jī)和雙極驅(qū)動序列。雙極電機(jī)通常由一種叫做 H橋的電路驅(qū)動，圖 5給出了連接 H橋和步進(jìn)電機(jī)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(jù)電機(jī)的要求選取 )，然后，該電路再經(jīng)過 4個開關(guān)(分別標(biāo)為S1、S2、S3和S4)連接到繞組的兩根抽頭。這一電路的分布看起來有點(diǎn)象一個大寫字母 H，因此叫做 H橋。從表1中可以看出，要激勵該電機(jī)，第一步應(yīng)將抽頭 2A設(shè)為邏輯0，2B設(shè)為邏輯1，于是，我們可以閉合開關(guān) S1和S4，并斷開開關(guān) S2和S3。接著，需要將抽頭2A設(shè)為邏輯1，2B設(shè)為邏輯0，于是，我們可以閉合 S2、S3，并斷開 S1和S4。與此類似，第三步我們可以閉合 S2、S3并斷開S1和S4，第四步則可以閉合S1、S4并斷開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(chǎn)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(guān)所在的位置。精選資料，歡迎下載。注意，如果 R=0，而開關(guān)S1和S3又不小心同時閉合，那么流經(jīng)開關(guān)的電流將達(dá)到無窮大。這時，不但開關(guān)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。 盡管這個電阻會帶來一定的功耗， 也會降低電機(jī)驅(qū)動器的效率，但它可以提供短路保護(hù)。單極電機(jī)及其驅(qū)動器前面我們已經(jīng)討論了雙極步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器。 單極電機(jī)與雙極電機(jī)類似， 不同的是在單極電機(jī)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(biāo)為抽頭 B，底部抽出的標(biāo)為抽頭 A，中間的為抽頭C。有時我們會遇到一些抽頭沒有標(biāo)注的電機(jī)，如果我們清楚步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造，就很容易通過測量抽頭之間的阻值， 識別出哪些抽頭屬于哪根繞組。 不同繞組的精選資料，歡迎下載。抽頭之間阻抗通常為無窮大。如果經(jīng)測量，抽頭 A和C之間的阻抗為100歐姆，那么抽頭 B和C之間的阻抗也應(yīng)是 100歐姆，而A和B之間的阻抗為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(jī)的單相驅(qū)動電路。從中可以看出，當(dāng) S1閉合而S2斷開時，電流將由右至左流經(jīng)電機(jī)繞組；而當(dāng) S1斷開，S2閉合時，電流流向變?yōu)橛勺笾劣摇Ｒ虼?，我們僅用兩個開關(guān)就能改變電流的流向 (而在雙極電機(jī)中需要 4個開關(guān)才能做到 )。表3所示為單極電機(jī)驅(qū)動電路中， 每一步激勵時開關(guān)所處的位置。雖然單極電機(jī)的驅(qū)動器控制起來相對簡單，但由于在電機(jī)中使用了中心抽頭，因此它比雙極電機(jī)更復(fù)雜，而且其價(jià)格通常比雙極電機(jī)貴。此外，由于電流只流經(jīng)一半的電機(jī)繞組，所以單極電機(jī)只能產(chǎn)生一半的磁場。精選資料，歡迎下載。在知道了單極電機(jī)和雙極電機(jī)的構(gòu)造原理之后， 當(dāng)我們遇到一個沒有標(biāo)示抽頭也沒有數(shù)據(jù)手冊的電機(jī)時，我們就能自己推導(dǎo)出抽頭和繞組的關(guān)系。帶 4個抽頭的電機(jī)就是一個雙相雙極電機(jī)， 我們可以通過測量導(dǎo)線之間的阻抗來分辨哪兩個抽頭屬于同一個繞組。帶 6個抽頭的電機(jī)可能是一個雙相單極電機(jī)，也可能是一個三相雙極電機(jī)，具體情況可以通過測量導(dǎo)線之間的阻抗來確定。電機(jī)控制本文前面討論的電機(jī)控制理論可以采用全硬件方案實(shí)現(xiàn)， 也可以用微控制器或DSP實(shí)現(xiàn)。圖8說明了如何用晶體管作為開關(guān)來控制雙相單極電機(jī)。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(shù)字輸出上，阻值可以從1到10M歐姆，用于限制流入晶體管基極的電流。每個晶體管的發(fā)射極均接地，集電極連到電機(jī)繞組的 4個抽頭。電機(jī)的中心抽頭均連接到電源電壓的正端。精選資料，歡迎下載。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(hù)晶體管不被旋轉(zhuǎn)時電機(jī)繞組上的感應(yīng)電流燒壞。 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，電機(jī)繞組上會出現(xiàn)一個感應(yīng)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(yīng)電壓造成的電流就會涌入晶體管的集電極。舉個例子，假設(shè)數(shù)字輸出 do1為高而do2為低，于是do1會使晶體管 T1導(dǎo)通，電流從+V流經(jīng)中心抽頭和 T1的基極，然后由 T1的發(fā)射極輸出。但此時 do2處于斷開狀態(tài)，因此電流無法流經(jīng) T2。這樣推理下去，我們就能將表 3改為驅(qū)動電機(jī)所需的微控制器數(shù)字輸出的改變順序。一旦清楚了驅(qū)動電機(jī)所需的硬件和數(shù)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(shí)現(xiàn)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(dá)靈精選資料，歡迎下載。頓晶體管實(shí)現(xiàn)了以上談到的電機(jī)控制器。 PIC的PortA第0位到第3位用來做數(shù)字輸出。電機(jī)采用在 Jameco購買的5V雙相單極電機(jī)(Airpax[Thomson] 生產(chǎn)，型號為M82101-P1)，并且用同一個 5V電源為PIC和電機(jī)供電。但在真正應(yīng)用時，為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為電機(jī)和微控制器供電。精選資料，歡迎下載。列表1給出了控制程序的匯編源代碼， 該程序每50毫秒旋轉(zhuǎn)電機(jī)一次。 首先，程序會將微控制器的數(shù)字輸出初始化為表 4中第一步的值，然后每隔50毫秒(此時間常數(shù)由程序中的常量 waitTime定義)按照正確的順序循環(huán)輸出數(shù)字信號。 若需使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，只需按與表 4所示相反的順序輸出數(shù)字信號即可。本人所用的電機(jī)為 24極電機(jī)，即每一步輸出可以控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°/24=7.5°。電機(jī)每50毫秒旋轉(zhuǎn)7.5°，也就是每2.4秒轉(zhuǎn)一周。如果將常量waitTime 減小一半，電機(jī)轉(zhuǎn)速會加快一倍。但因?yàn)檗D(zhuǎn)子受慣性、摩擦力和其他機(jī)械限制，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速有一個上限， 當(dāng)定子磁場旋轉(zhuǎn)過快時， 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速無法跟上，導(dǎo)致電機(jī)的旋轉(zhuǎn)也無法跟上， 開始跳動(skipping) 。如果這時再降低歐姆aitTime，電機(jī)很可能干脆就停止旋轉(zhuǎn)。除了本文重點(diǎn)討論的雙相電機(jī)以外， 步進(jìn)電機(jī)還有其他類型， 如三相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)。 另外還有一些雙相步進(jìn)電機(jī)， 它們只有一個中心抽頭， 同時連接到兩個繞組的中心點(diǎn)，這類步進(jìn)電機(jī)外部有 5個抽頭引出。同樣，步進(jìn)電機(jī)也不是電機(jī)家族中的唯一成員， 最古老也最簡單的電機(jī)是直流(DC)電機(jī)。早期的直流電機(jī)使用電刷， 現(xiàn)在已經(jīng)不再流行。 如今常見的無刷直流電機(jī)，就是利用電子線路代替電刷進(jìn)行換向的直流電機(jī)， 這類電機(jī)中不存在電刷老化問題，因此其壽命比有刷直流電機(jī)長很多。還有一種感應(yīng)電機(jī)， 其工作原理與步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)完全不同。 直流電機(jī)采用的是直流電壓源， 而感應(yīng)電機(jī)則采用交流 (AC)電壓源，并且步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)中轉(zhuǎn)子與定子磁場的旋轉(zhuǎn)是同步的， 而感應(yīng)電機(jī)中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速滯后于定子磁場的轉(zhuǎn)速。精選資料，歡迎下載。本文小結(jié)本文對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了概括性的介紹， 更多的細(xì)節(jié)等待著您的發(fā)現(xiàn)。 但只要您理解了本文介紹的電機(jī)工作原理， 那么您就已經(jīng)完全可以開始設(shè)計(jì)、 維護(hù)和調(diào)試步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動軟、硬件了。作者：DanSimon，電子與計(jì)算機(jī)工程系，克里夫蘭州立大學(xué)步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與普通電動機(jī)不同， 它隨供給電源的脈沖一步一步的轉(zhuǎn)動， 是一種數(shù)字電動機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)能隨供給的電源脈沖數(shù)轉(zhuǎn)動相應(yīng)步數(shù)，而每一步的角度是固定的，所以步進(jìn)電動機(jī)能按控制轉(zhuǎn)動所需的圈數(shù)、角度，廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、自動化設(shè)備、儀器儀表等行業(yè)。本節(jié)介紹應(yīng)用最廣的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)是根據(jù)磁阻性質(zhì)轉(zhuǎn)矩工作的，遵循磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合的原理，由磁拉力形成轉(zhuǎn)矩。前面介紹的開關(guān)磁阻電動機(jī)也可視為步進(jìn)運(yùn)行，因每切換一組線圈電源時轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一定角度，只要停止切換轉(zhuǎn)子就停止不動了，只不過每一步角度是 30度，應(yīng)用在數(shù)控設(shè)備顯然過于粗糙。實(shí)際應(yīng)用的步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)角度較小，下面介紹的步進(jìn)電動機(jī)模型每步為 3度。圖1是步進(jìn)電動機(jī)的定子鐵心，在內(nèi)周有六個磁極，每個磁極上有 5個小齒，徑向的兩個磁極組成一對磁極，定子鐵心由沖制的硅鋼片疊制而成。精選資料，歡迎下載。圖2是步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子上沒有線圈，但在外圓周有40個小齒，齒寬與齒間隔大小一樣，轉(zhuǎn)子鐵心也由沖制的硅鋼片疊制而成。定子磁極上的小齒的齒寬與齒間隔與轉(zhuǎn)子上的小齒一樣，當(dāng)定子一對磁極小齒與轉(zhuǎn)子小齒對齊時，另兩對磁極小齒與轉(zhuǎn)子小齒角度相差 3度或-3度，見圖3。精選資料，歡迎下載。圖4是繞有線圈的定子與裝有轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子組裝圖。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)多為三相線圈，本模型的三對磁極可繞三組線圈組成三相繞組。由脈沖信號發(fā)生器按照給定的設(shè)置不斷向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送控制脈沖信號，驅(qū)動器又根據(jù)轉(zhuǎn)動方向與運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)向三相線圈供電（每輸入一個脈沖信號切換一次供電狀態(tài)） ，每一個控制脈沖電信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一步， 每步轉(zhuǎn)的角度稱為步距角。三相線圈分為 A、B、C三個線圈，圖5是用三個開關(guān)晶體管向三個線圈供電的連接圖：三個線圈的一端與電源正極相連，另一端分別與三個開關(guān)晶體管連接，每個時期僅有一個開關(guān)晶體管導(dǎo)通一個線圈通電，這是一種基本的也是常用的工作方式。精選資料，歡迎下載。為了清楚的演示該步進(jìn)電機(jī)模型的工作狀態(tài)， 我們?nèi)∧Ｐ偷恼晥D來作動畫，圖 6是模型的正視圖，清楚的顯示了三相線圈的組合與連接，黃色線圈是 A相線圈、綠色線圈是 B相線圈、紅色線圈是 C相線圈。下面我們從動畫中截取幾幅畫面，并用這些畫面來介紹該步進(jìn)電機(jī)的工作原理。圖 7是BG1導(dǎo)通A相線圈通電，此時轉(zhuǎn)子被磁力吸引靜止不動。精選資料，歡迎下載。第一個控制脈沖來時， BG