3.5 两相混合式步进电机 及其驱动技术 1. 两相混合式步进电机结构 2. 两相混合式步进电机工作原理 3. 两相混合式步进电机驱动技术 4. 两相混合式步进电机的主要特性和技术指标 1 ? 前面讲述的各种伺服电机必须通过闭环实现位置伺 服。 ? 而步进电机在开环状态就能实现的位置控制。 ? 开环较之闭环有如下好处： ? 结构简单，例如省去位置传感器及其信号处理电路。 ? 没有控制参数设计及其调试的问题。 ? 不存在稳定性问题。 ? 接线 三种类型的步进电机 ? 永磁式步进电机（Permanent magnet motors， PM) ? 变磁阻步进电机(Variable Reluctance，VR)或称 反应式步进电机； ? 混合式步进电动机(Hybrid，HB) ? 定子绕组相数可分为两相、三相、四相、五相等。 ? 两相混合式步进电机在工业上应用为广泛。 3 1. 两相混合式步进电机结构 A ? ? 1 ? ? 5 3 ? ? 7 ? ? A B 2 4 6 8 B ? 电机的定子上有八个绕有线圈的铁心磁极； ? 八个线圈串接成A、B两相绕组； ? 每个定子磁极边缘有多个小齿，一般多为五或六齿。 4 ? 转子由两段有齿环形转子铁心、装在转子铁心内部的环形 磁钢及轴承、轴组成。 ? 将环形磁钢沿轴向充磁，两段转子铁心的一端呈N极性， 另一端呈S极性，分别称之为N段转子和S段转子。 ? 转子铁心的边缘加工有小齿，步进电机一般为50个，齿距为7.2°。 ? 两段转子的小齿相互错开1/2齿距。 5 2. 两相混合式步进电机工作原理 每转12步的模型电机 N SS i N 图6-4 ? 定子上有四个绕有线圈的磁极（齿），相对磁极的线圈串联 组成两相绕组。 ? 由于同一相绕组两个线圈绕线的方向相反，通过同一电流时 所 产 生的磁场方向也相反。 ? 电流从相反方向流过同一相绕组产生的磁场方向也相反。 ? 转子由两段永磁体组成，一段呈N极性，一段呈S极性。 ? 每段永磁体有3个齿，齿距为120度，N极齿和S极齿彼此 错 6 开1/2齿距。 1）不通电状态 ? 在绕组不通电时，由于磁通总是沿磁阻小的路径通过， 磁通从N极性转子经定子极回到S极性转子。 ? 由于转子磁场的吸引作用，当外力力图使轴转动时，会有 一个反向力矩阻止这种转动，称为自锁（detent)力矩。 7 2）单四拍工作状态 ia A B A B t ib t 图6-6 A? B? A? B ? ? ? ? ? 图6-5 初始状态，A相通电产生保持力矩； B相通电，定子磁场旋转90度，步进电机吸引转子旋转1/4齿距（30度）； /A 相通电、 /B相、 A相通电定子磁场各旋转90度，各吸引转子 旋转1/4齿距（30度）； 4步一个循环后共转过一个齿距120度，12步后转子旋转一周。 8 每一次仅一相绕组通电，四拍一个循环，称之为单四拍工作状态 3）双四拍工作状态 ia AB BA AB BA t ib t AB ? BA ? 图 6-8AB ? BA ? ? 图6-7 初始状态， A相、B相同时通电，由于两个定子齿的吸引，转子 移动1/8齿距15度，步进电机停在一个中间的位置； B/A相通电，定子磁场旋转90度吸引转子旋转1/4齿距30度； /A/B、/BA、AB各相通电，定子磁场各旋转90度，各吸引转子 旋转1/4齿距30度； 4步一个循环后共转过一个齿距120度， 12步后转子旋转一周； 每一次两相绕组通电，四拍一个循环，称之为双四拍工作状态9 因为两个线圈同时通电，产生的力矩比单四拍要大。 ? ? ? ? 4）□□ i a A AB B BA A AB B BA t ib t 图 6-10 A ? AB ? B ? BA ? A ? AB ? B ? BA 图6-9 ? ? ? 在单四拍工作方式基础上，在每两个单拍之间插入一个 双拍工作状态，就成为单、双八拍工作方式。 交替使一个线圈和两个线圈通电，每一步转子旋转1/8齿 距即15度，经过这8拍以后，转子转过一个齿距120度。 旋转一周需24步。 10 ia A AB B BA A AB B BA ia A AB B BA A AB B BA t t ib ib t 图6-10 t 图6-11 ? 单、双八拍工作方式的缺点是产生“强、弱步”的现象， 可利用的力矩被弱步力矩所限制，力矩的波动较大。 ? 为了消除“强、弱步”现象，并使电机按强步力矩输出， 可以在弱步时绕组通以两倍的电流，对弱步力矩进行补偿。 ? 优点是步距角小，电机运行将更平稳。 11 5）微步距工作方式 ia t ia t ? 在双四拍工作方式中，当两相绕组通以相等的电流时，电机 转子停在一个中间的位置。如果两相绕组电流不等，转子位 置将朝电流大的定子极方向偏移。 ? 利用这个现象我们可使电机工作在微步距方式：将两相绕组 中的电流分别按正弦和余弦的轮廓呈阶梯式变化。则每个整 步距就分成了若干微步距。 12 ? 微步距方式的步距角更小，将使电机运行更加平稳。 ? 一般称单四拍和双四拍工作方式为整步距方式； 单、双八拍工作方式为半步距方式。 ? 步进电机中定子磁场和转子磁场的相互作用产生 转矩： ? 定子磁势IW（安匝），I为相电流，W为绕组匝 数。 ? 转子磁势是由转子磁钢产生的，它是一个常数。 ? 所以当定子线圈匝数、转子磁钢磁性能及定、 转子铁心材料、尺寸已确定的情况下，电机产生 的力矩由定子绕组电流决定。 13 5）实际电机的工作原理 A ? ? 1 ? ? 5 3 ? ? 7 ? ? A B 2 4 6 8 B N SS i N 1 7 3 5 定子 转子 图6-4 ? 线串联组成A相绕组；线
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