摘要：步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)運(yùn)動。首先步進(jìn)驅(qū)動器會接收到一個(gè)脈沖信號，然后它按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。同時(shí)可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制那個(gè)固定角度，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;利用脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速和定位的目的。
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動機(jī);步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器;工作原理
1 引言
步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件。步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)運(yùn)動。正常運(yùn)動情況下，它每轉(zhuǎn)一周具有固定的步數(shù);做連續(xù)步進(jìn)運(yùn)動時(shí)，其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動機(jī)能直接接受數(shù)字量的控制，所以特別適宜采用微機(jī)進(jìn)行控制。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，其實(shí)就是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。首先步進(jìn)驅(qū)動器會接收到一個(gè)脈沖信號，然后它按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。同時(shí)可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制那個(gè)固定角度，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;利用脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速和定位的目的。
2 步進(jìn)電動機(jī)的分類
步進(jìn)電機(jī)按結(jié)構(gòu)分類：步進(jìn)電動機(jī)也叫脈沖電機(jī)，包括反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電動機(jī)(PM)、混合式步進(jìn)電動機(jī)(HB)等。
(1)反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)(VR)：也叫感應(yīng)式、磁滯式或磁阻式步進(jìn)電動機(jī)。其定子和轉(zhuǎn)子均由軟磁材料制成，定子上均勻分布的大磁極上裝有多相勵(lì)磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊均勻分布小齒和槽，通電后利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為三、四、五、六相;可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出(消耗功率較大，電流最高可達(dá)20A，驅(qū)動電壓較高);步距角小(最小可做到10);斷電時(shí)無定位轉(zhuǎn)矩;電機(jī)內(nèi)阻尼較小，單步運(yùn)行(指脈沖頻率很低時(shí))震蕩時(shí)間較長;啟動和運(yùn)行頻率較高。
反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)(PM):通常電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，軟磁材料制成的定子上有多相勵(lì)磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊沒有小齒和槽，通電后利用永磁體與定子電流磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為兩相或四相;輸出轉(zhuǎn)矩小(消耗功率較小，電流一般小于2A，驅(qū)動電壓12V);步距角大(例如7.5度、15度、22.5度等);斷電時(shí)具有一定的保持轉(zhuǎn)矩;啟動和運(yùn)行頻率較低。
永磁式步進(jìn)電動機(jī)出力大，動態(tài)性能好;但步距角大。
(3)混合式步進(jìn)電動機(jī)(HB):也叫永磁反應(yīng)式、永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。其定子和四相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)沒有區(qū)別(但同一相的兩個(gè)磁極相對，且兩個(gè)磁極上繞組產(chǎn)生的N、S極性必須相同)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜(轉(zhuǎn)子內(nèi)部為圓柱形永磁鐵，兩端外套軟磁材料，周邊有小齒和槽)。一般為兩相或四相;須供給正負(fù)脈沖信號;輸出轉(zhuǎn)矩較永磁式大(消耗功率相對較小);步距角較永磁式小(一般為1.8度);斷電時(shí)無定位轉(zhuǎn)矩;啟動和運(yùn)行頻率較高;發(fā)展較快的一種步進(jìn)電動機(jī)。
混合式步進(jìn)電動機(jī)綜合了反應(yīng)式、永磁式步進(jìn)電動機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)電動機(jī)。它有時(shí)也稱作永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機(jī)。
3 步進(jìn)電動機(jī)工作原理
圖1是最常見的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的剖面示意圖。
1-定子; 2-轉(zhuǎn)子;3-定子繞組
圖1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖
電機(jī)的定子上有六個(gè)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(gè)小齒。所以每個(gè)齒的齒距為θE=360º/40=9º，而定子每個(gè)磁極的極弧上也有5個(gè)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?jǐn)?shù)，這就產(chǎn)生了所謂的齒錯(cuò)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(cuò)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(shí)A、C磁極下的齒又分別與轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)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(shí)針方向再轉(zhuǎn)過3º。依次類推，當(dāng)三相繞組按A→B→C→A順序循環(huán)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會按順時(shí)針方向，以每個(gè)通電脈沖轉(zhuǎn)動3º的規(guī)律步進(jìn)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(shí)針方向以每個(gè)通電脈沖轉(zhuǎn)動3º的規(guī)律轉(zhuǎn)動。因?yàn)槊恳凰查g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(yùn)行方式。單三拍運(yùn)行時(shí)的步矩角θb為30º。三相步進(jìn)電動機(jī)還有兩種通電方式，它們分別是雙三拍運(yùn)行，即按AB→BC→CA→AB順序循環(huán)通電的方式，以及單、雙六拍運(yùn)行，即按A→AB→B→BC→C→CA→A順序循環(huán)通電的方式。六拍運(yùn)行時(shí)的步矩角將減小一半。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的步距角可按下式計(jì)算：
θb=360º/NEr (1)
式中 Er——轉(zhuǎn)子齒數(shù);
N——運(yùn)行拍數(shù)，N=km，m為步進(jìn)電動機(jī)的繞組相數(shù)，k=1或2。
4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器原理
步進(jìn)電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能，不但取決于步進(jìn)電動機(jī)自身的性能，也取決于步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的優(yōu)劣。對步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的研究幾乎是與步進(jìn)電動機(jī)的研究同步進(jìn)行的。
4.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器原理--簡介
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，其實(shí)就是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。首先步進(jìn)驅(qū)動器會接收到一個(gè)脈沖信號，然后它按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。同時(shí)可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制那個(gè)固定角度，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;利用脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速和定位的目的。圖2示出步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。
圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器
4.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器原理--組成結(jié)構(gòu)
步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能，不但取決于步進(jìn)電動機(jī)自身的性能，也取決于步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的優(yōu)劣。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器主要結(jié)構(gòu)主要有以下部分，同時(shí)可以用功率元器件直接控制電機(jī)的各相繞組。
保護(hù)電路---當(dāng)繞組電流過大時(shí)產(chǎn)生關(guān)斷信號對主回路進(jìn)行關(guān)斷，以保護(hù)電機(jī)驅(qū)動器和電機(jī)繞組。
傳感器---對電機(jī)的位置和角度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，傳回信號的產(chǎn)生裝置。
4.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器原理
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的原理，采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動。但是步進(jìn)電動機(jī)不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動電源。如圖3所示，為四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。
圖3 四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖
開始時(shí)，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。
當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時(shí)，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。
四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。
單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖4的a、b、c所示。
a-單四拍;b-雙四拍;c-八拍
圖4 電源通電時(shí)序與波形
驅(qū)動器相當(dāng)于開關(guān)的組合單元。通過上位機(jī)的脈沖信號有順序給電機(jī)相序通電使電機(jī)轉(zhuǎn)動。
5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模式
步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器有三種基本的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模式：整步、半步、細(xì)分。其主要區(qū)別在于電機(jī)線圈電流的控制精度(即激磁方式)。
5.1 整步驅(qū)動
在整步運(yùn)行中，同一種步進(jìn)電機(jī)既可配整/半步驅(qū)動器也可配細(xì)分驅(qū)動器，但運(yùn)行效果不同。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器按脈沖/方向指令對兩相步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)線圈循環(huán)激磁(即將線圈充電設(shè)定電流)，這種驅(qū)動方式的每個(gè)脈沖將使電機(jī)移動一個(gè)基本步距角，即1.80度 (標(biāo)準(zhǔn)兩相電機(jī)的一圈共有200個(gè)步距角)。
5.2 半步驅(qū)動
在單相激磁時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸停至整步位置上，驅(qū)動器收到下一脈沖后，如給另一相激磁且保持原來相繼處在激磁狀態(tài)，則電機(jī)轉(zhuǎn)軸將移動半個(gè)步距角，停在相鄰兩個(gè)整步位置的中間。如此循環(huán)地對兩相線圈進(jìn)行單相然后雙相激磁步進(jìn)電機(jī)將以每個(gè)脈沖0.90度的半步方式轉(zhuǎn)動。山社電機(jī)供應(yīng)的所有的整/半步驅(qū)動器都可以執(zhí)行整步和半步驅(qū)動，由驅(qū)動器撥碼開關(guān)的撥位進(jìn)行選擇。和整步方式相比，半步方式具有精度高一倍和低速運(yùn)行時(shí)振動較小的優(yōu)點(diǎn)，所以實(shí)際使用整/半步驅(qū)動器時(shí)一般選用半步模式。
5.3 細(xì)分驅(qū)動
細(xì)分驅(qū)動模式具有低速振動極小和定位精度高兩大優(yōu)點(diǎn)。對于有時(shí)需要低速運(yùn)行(即電機(jī)轉(zhuǎn)軸有時(shí)工作在60rpm以下)或定位精度要求小于0.90度的步進(jìn)應(yīng)用中，細(xì)分型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器獲得廣泛應(yīng)用。其基本原理是對電機(jī)的兩個(gè)線圈分別按正弦和余弦形的臺階進(jìn)行精密電流控制，從而使得一個(gè)步距角的距離分成若干個(gè)細(xì)分步完成。例如十六細(xì)分的驅(qū)動方式可使每圈200標(biāo)準(zhǔn)步的步進(jìn)電機(jī)達(dá)到每圈200×16=3200步的運(yùn)行精度(即0.1125°)。
總的來說：在整步運(yùn)行狀態(tài)下，每輸入一個(gè)脈沖，電機(jī)軸的角位移是一個(gè)步矩角，在半步運(yùn)行狀態(tài)下，每輸入一個(gè)脈沖，電機(jī)軸的角位移是半個(gè)步矩角。步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動大。 |
