步进电机的 工作原理_信息与通信_工程科技_专业资料。步进电机的工作原理

　　步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，人们早在 20 世纪 20 年代就开 始使用这种电机。随着嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和 录像机等)的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中， 只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形 状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：可变磁阻步进电机和永磁步进电机。电机。 步进电机的构造 如图 1 所示， 步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上 的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在 电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。如果线圈中电流 的流向如图 1 所示，并且我们从电机顶部向下看齿槽的顶部，那么电流 在绕两个齿槽按逆时针流向流动。根据安培定律和右手准则，这样的电 流会产生一个北极向上的磁场。 现在假设我们构造一个定子上缠绕有 两个绕组的电机，内置一个能够绕中心任意 转动的磁铁，这个可旋转部分叫做转子。 图 2 给出了一种简单的电机，叫做双相双极 电机，因为其定子上有两个绕组，而且其转 子有两个磁极。如果我们按图 2a 所示方向给 绕组 1 输送电流，而绕组 2 中没有电流流过， 那么电机转子的南极就会自然地按图中所 示，指向定子磁场的北极。 再假设我们切断绕组 1 中的电流，而按图 2b 所示方向给绕组 2 输送电流，那么定子的磁场就会指 向左侧，而转子也会随之旋转，与定子磁场方向保持一致 接着，我们再将绕组 2 的电流切断，按照图 2c 的方向给绕组 1 输送电流，注意：这时绕组 1 中的 电流流向与图 2a 所示方向相反。于是定子的磁场北极就会指向下，从而导致转子旋转，其南极也指向 下方。 然后我们又切断绕组 1 中的电流，按照图 2d 所示方向给 绕组 2 输送电流，于是定子磁场又会指向右侧，从而使得转子 旋转，其南极也指向右侧。。 后，我们再一次切断绕组 2 中的电流，并给绕组 1 输送 如图 2a 所示的电流，这样，转子又会回到原来的位置。 至此，我们对电机绕组完成了一个周期的电激励，电机转子旋转了一整圈。也就是说，电机的电 频率等于它转动的机械频率。 如果我们用 1 秒钟顺序完成了图 2 所示的这 4 个步骤， 那么电机的电频率就是 1Hz。 其转子旋转了一周， 因而其机械 频率也是 1Hz。 总之， 一个双相步进电机的电频率和机械频率 之间的关系可以用下式表示： fe=fm*P/2 (1) 其中，fe 代表电机的电频率，fm 代表其机械频率，而 P 则代表电机转子的等距磁极数。 从图 2 中我们还可以看出，每一步操作都会使转子旋转 90°，也就是说，一个双相步进电机每 一步操作造成的旋转度数可由下式表示： 1 step= 180°/P (2) 由等式(2)可知，一个双极电机每动作一次可以旋转 180°/2=90°，这与我们在图 2 中看到的情 形正好相符。此外，该等式还表明，电机的磁极数越多，步进精度就越高。常见的是磁极数在 12 和 200 个之间的双相步进电机，这些电机的步进精度在 15°和 0.9°之间。 图 3 给出的例子是一个双相、6 极步进电机，其中包含 3 个磁铁，因而有 6 个磁极。步， 如图 3a 所示， 我们给绕组 1 施加电压， 在定子中产生一个北极指向其顶部的磁场， 于是， 转子的南极(图 3a 中红色的“S”一端)转向了该图的上方。接着，在图 3b 中，我们给绕组 2 施加电压，定子中产生一 个北极指向其左侧的磁场。于是，转子的一个距离近的南极转向了图的左方，即转子顺时针转动了 30°。第三步，在图 3c 中，我们又向绕组 1 施加一个电压，在定子中产生一个北极指向图下方的磁场， 从而又使转子顺时针旋转 30°到达图 3c 所示的位置。而在图 3d 中，我们给绕组 2 施加电压，在定子中 产生一个北极指向定子右侧的磁场，再一次使转子顺时针旋转 30°，到达图 3d 所示的位置。后，我 们再向绕组 1 施加电压， 产生一个如图 3a 所示的北极指向定子上方的磁场， 使得转子顺时针旋转 30°， 结束一个电周期。如此可以看出，4 步电激励造成了 120°的机械旋转。也就是说，该电机的电频率是 机械频率的 3 倍，这一结果符合等式 (1)。此外，我们从图 3 和等式(2)也能看出，该电机的转子每一 步旋转 30°。 如果同时向两个绕组输送电流，还能增大电机的扭矩，如图 4 所示。这时，电机定子的磁场是两 个绕组各自产生的磁场的矢量和，虽然这一磁场每一次动作仍然只使电机旋转 90°，就象图 2 和图 3 中一样，但因为我们同时激励两个电机绕组，所以此时的磁场比单独激励一个绕组时更强。由于该磁场 是两个垂直场的矢量和，因此它等于单独每个场的 2×1.414 倍，从而电机对其负载施加的扭矩也成正 比增大。 电机的激励顺序 既然我们知道了一系列激励会使步进电机旋转， 接下来就 要设计硬件来实现所需的步进序列。一块能让电机动起来的硬 件(或结合了硬件和软件的一套设)就叫做电机驱动器。 从图 4 中可以看出我们怎样激励双相电机的绕组才能使 电机转子旋转，图中，电机内的绕组抽头分别被标为 1A、1B、 2A 和 2B。其中，1A 和 1B 是绕组 1 的两个抽头，2A 和 2B 则是绕组 2 的两个抽头。 首先，要给脚 1B 和 2B 施加一个正电压，并将 1A 和 2A 接地。然后，给脚 1B 和 2A 施加一个正电 压，而将 1A 和 2B 接地，这一过程其实取决于导线绕齿槽缠绕的方向，假设导线缠绕的方向与上一节所 述相符。依次进行下去，我们就得到了表 1 中总结的激励顺序，其中，“1”表示正电压，“0”表示接 地。 电流在电机绕组中有两种可能的流向， 这样的电机就叫做双 极电机和双极驱动序列。双极电机通常由一种叫做 H 桥的电路驱 动， 5 给出了连接 H 桥和步进电机两根抽头的电路。 桥通过一 图 H 个电阻连接到一个电压固定的直流电源(其幅度可根据电机的要 求选取)，然后，该电路再经过 4 个开关(分别标为 S1、S2、S3 和 S4)连接到绕组的两根抽头。这一电路的分布看起来有点象一个大 写字母 H，因此叫做 H 桥。 从表 1 中可以看出，要激励该电机，步应将抽头 2A 设为逻辑 0，2B 设为逻辑 1，于是，我们 可以闭合开关 S1 和 S4，并断开开关 S2 和 S3。接着，需要将抽头 2A 设为逻辑 1，2B 设为逻辑 0，于是， 我们可以闭合 S2、S3，并断开 S1 和 S4。与此类似，第三步我们可以闭合 S2、S3 并断开 S1 和 S4，第四 步则可以闭合 S1、S4 并断开 S2、S3。 对绕组 1 的激励方法也不外乎如此，使用一对 H 桥就能产生需要的激励信号序列。表 2 所示就是 激励过程中每一步开关所在的位置。 注意，如果 R=0，而开关 S1 和 S3 又不小心同时闭合，那么流经开关的电流将达到无穷大。这时， 不但开关会被烧坏，电源也可能损坏，因此电路中使用了一个非零阻值的电阻。尽管这个电阻会带来一 定的功耗，也会降低电机驱动器的效率，但它可以提供短路保护。 单极电机及其驱动器 前面我们已经讨论了双极步进电机和驱动器。 单极电机与双极电机 类似，不同的是在单极电机中外部能够接触到的只有每个绕组的中心抽 头，如图 6 所示。我们将从绕组顶部抽出的抽头标为抽头 B，底部抽出的 标为抽头 A，中间的为抽头 C。 有时我们会遇到一些抽头没有标注的电机， 如果我们清楚步进电机 的构造，就很容易通过测量抽头之间的阻值，识别出哪些抽头属于哪根绕组。不同绕组的抽头之间阻抗 通常为无穷大。 如果经测量， 抽头 A 和 C 之间的阻抗为 100 欧姆， 那么抽头 B 和 C 之间的阻抗也应是 100 欧姆，而 A 和 B 之间的阻抗为 200 欧姆。200 欧姆这一阻抗值就叫做绕组阻抗。 图 7 给出一个单极电机的单相驱动电路。从中可以看出，当 S1 闭合而 S2 断开时，电流将由右至 左流经电机绕组；而当 S1 断开，S2 闭合时，电流流向变为 由左至右。因此，我们仅用两个开关就能改变电流的流向 (而在双极电机中需要 4 个开关才能做到)。表 3 所示为单 极电机驱动电路中，每一步激励时开关所处的位置。 虽然单极电机的驱动器控制起来相对简单， 但由于在 电机中使用了中心抽头，因此它比双极电机更复杂，而且 其价格通常比双极电机贵。此外，由于电流只流经一半的 电机绕组，所以单极电机只能产生一半的磁场。 在知道了单极电机和双极电机的构造原理之后，当我们遇到一个没有标示抽头也没有数据手册的 电机时，我们就能自己推导出抽头和绕组的关系。带 4 个抽头的电机就是一个双相双极电机，我们可以 通过测量导线之间的阻抗来分辨哪两个抽头属于同一个绕组。带 6 个抽头的电机可能是一个双相单极电 机，也可能是一个三相双极电机，具体情况可以通过测量导线之间的阻抗来确定。 电机控制 本文前面讨论的电机控制理论可以采用全硬件方案实现，也可以用微控制器或 DSP 实现。图 8 说 明了如何用晶体管作为开关来控制双相单极电机。每个晶体管的基极都要通过一个电阻连接到微控制器 的一个数字输出上，阻值可以从 1 到 10M 欧姆，用于限 制流入晶体管基极的电流。每个晶体管的发射极均接地， 集电极连到电机绕组的 4 个抽头。电机的中心抽头均连 接到电源电压的正端。 每个晶体管的集电极均通过一个二极管连接到电 压源，以保护晶体管不被旋转时电机绕组上的感应电流烧坏。转子旋转时，电机绕组上会出现一个感应 电压，如果晶体管集电极没有通过二极管连接到电压源， 感应电压造成的电流就会涌入晶体管的集电极。 举个例子，假设数字输出 do1 为高而 do2 为低，于 是 do1 会使晶体管 T1 导通，电流从+V 流经中心抽头和 T1 的基极，然后由 T1 的发射极输出。但此时 do2 处于 断开状态，因此电流无法流经 T2。这样推理下去，我们就能将表 3 改为驱动电机所需的微控制器数字输 出的改变顺序。 一旦清楚了驱动电机所需的硬件和数字输出的顺序，我们就可以对顺手的微控制器或 DSP 编写 软件，实现这些序列。 固件控制 我本人在一块 Microchip PIC16F877 上，利用 1N3 二极管和 2SD1276A 达灵顿晶体管实现了以 上谈到的电机控制器。PIC 的 PortA 第 0 位到第 3 位用来做数字输出。电机采用在 Jameco 购买的 5 V 双相单极 电机(Airpax [Thomson]生产，型号为 M82101-P1)，并且用同一个 5V 电源为 PIC 和电机供电。但在真正 应用时，为避免给微控制器的电源信号引入噪声，建议大家还是分别用不同的电源为电机和微控制器供 电。 列表 1 给出了控 制程序的汇 编源代码， 该程序每 50 毫秒旋转电 机一次。首 先，程序会 将微控制器 的数字输出 初始化为表 4 中步 的值，然后 每隔 50 毫 秒(此时间 常数由程序 中的常量 waitTime 定义)按照正确的顺序循环输出数字信号。若需使电机反向旋转，只需按与表 4 所示相反的顺 序输出数字信号即可。 本人所用的电机为 24 极电机，即每一步输出可以控制电机旋转 180°/24=7.5°。电机每 50 毫秒 旋转 7.5°，也就是每 2.4 秒转一周。如果将常量 waitTime 减小一半，电机转速会加快一倍。但因为 转子受惯性、摩擦力和其他机械限制，所以电机转速有一个上限，当定子磁场旋转过快时，转子的转速 无法跟上，导致电机的旋转也无法跟上，开始跳动(skipping)。如果这时再降低欧姆 aitTime，电机很 可能干脆就停止旋转。 除了本文重点讨论的双相电机以外，步进电机还有其他类型，如三相步进电机或四相步进电机。 另外还有一些双相步进电机，它们只有一个中心抽头，同时连接到两个绕组的中心点，这类步进电机外 部有 5 个抽头引出。 同样，步进电机也不是电机家族中的成员，古老也简单的电机是直流(DC)电机。早期的 直流电机使用电刷，现在已经不再流行。如今常见的无刷直流电机，就是利用电子线路代替电刷进行换 向的直流电机，这类电机中不存在电刷老化问题，因此其寿命比有刷直流电机长很多。 还有一种感应电机，其工作原理与步进电机或直流电机完全不同。直流电机采用的是直流电压源， 而感应电机则采用交流(AC)电压源，并且步进电机和直流电机中转子与定子磁场的旋转是同步的，而感 应电机中转子的转速滞后于定子磁场的转速。 本文小结 本文对步进电机进行了概括性的介绍，更多的细节等待着您的发现。但只要您理解了本文介绍的 电机工作原理，那么您就已经完全可以开始设计、维护和调试步进电机的驱动软、硬件了。
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