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步进电机基础知识:类型、用途和工作原理

2023-04-04 10:09 作者:MPS芯源系统  | 我要投稿

本文将为您介绍步进电机的基础知识,包括其工作原理、构造、控制方法、用途、类型及其优缺点。

步进电机基础知识

步进电机是一种通过步进(即以固定的角度移动)方式使轴旋转的电机。其内部构造使它无需传感器,通过简单的步数计算即可获知轴的确切角位置。这种特性使它适用于多种应用。

步进电机工作原理

与所有电机一样,步进电机也包括固定部分(定子)和活动部分(转子)。定子上有缠绕了线圈的齿轮状突起,而转子为 永磁体或可变磁阻铁芯。稍后我们将更深入地介绍不同的转子结构。图1显示的电机截面图,其转子为可变磁阻铁芯。

Section of a Stepper Motor
图1: 步进电机截面图

步进电机的基本工作原理为:给一个或多个定子相位通电,线圈中通过的电流会产生磁场,而转子会与该磁场对齐;依次给不同的相位施加电压,转子将旋转特定的角度并最终到达需要的位置。图2显示了其工作原理。首先,线圈A通电并产生磁场,转子与该磁场对齐;线圈B通电后,转子顺时针旋转60°以与新的磁场对齐;线圈C通电后也会出现同样的情况。下图中定子小齿的颜色指示出定子绕组产生的磁场方向。

Stepper Motor Steps
图2: 步进电机的步进

步进电机的类型与构造

步进电机的性能(无论是分辨率/步距、速度还是扭矩)都受构造细节的影响,同时,这些细节也可能会影响电机的控制方式。实际上,并非所有步进电机都具有相同的内部结构(或构造),因为不同电机的转子和定子配置都不同。

转子

步进电机基本上有三种类型的转子:

  • 永磁转子:转子为永磁体,与定子电路产生的磁场对齐。这种转子可以保证良好的扭矩,并具有制动扭矩。这意味着,无论线圈是否通电,电机都能抵抗(即使不是很强烈)位置的变化。但与其他转子类型相比,其缺点是速度和分辨率都较低。图3显示了永磁步进电机的截面图。

Permanent Magnet Stepper Motor
图3: 永磁步进电机
  • 可变磁阻转子:转子由铁芯制成,其形状特殊,可以与磁场对齐(请参见图1和图2)。这种转子更容易实现高速度和高分辨率,但它产生的扭矩通常较低,并且没有制动扭矩。

  • 混合式转子:这种转子具有特殊的结构,它是永磁体和可变磁阻转子的混合体。其转子上有两个轴向磁化的磁帽,并且磁帽上有交替的小齿。这种配置使电机同时具有永磁体和可变磁阻转子的优势,尤其是具有高分辨率、高速度和大扭矩。当然更高的性能要求意味着更复杂的结构和更高的成本。图3显示了这种电机结构的简化示意图。线圈A通电后,转子N磁帽的一个小齿与磁化为S的定子齿对齐。与此同时,由于转子的结构,转子S磁帽与磁化为N的定子齿对齐。尽管步进电机的工作原理是相同的,但实际电机的结构更复杂,齿数要比图中所示的更多。大量的齿数可以使电机获得极小的步进角度,小至0.9°。

Hybrid stepper motor
图4: 混合式步进电机

定子

定子是电机的一部分,负责产生转子与之对齐的磁场。定子电路的主要特性与其相数、极对数以及导线配置相关。 相数是独立线圈的数量,极对数则表示每相占用的主要齿对。两相步进电机最常用,三相和五相电机则较少使用(请参见图5和图6)。

Two-phase stator winding (left), three-phase stator winding (right)
图5: 两相定子绕组(左)和三相定子绕组(右)


Two-phase, one pole pair stator (left), two-phase, two pole pair stator (right). The letters show the magnetic field generated when positive voltage is applied between A+ and A-
图6:两相单极定子(左)和两相双极定子(右)。在A +和A-之间施加正电压时产生的磁场用字母N和S表示。

步进电机的控制

从上文我们知道,电机线圈需要按特定的顺序通电,以产生转子将与之对齐的磁场。可以向线圈提供必要的电压以使电机正常运行的设备有以下几种(从距离电机更近的设备开始):

  • 晶体管桥:从物理上控制电机线圈电气连接的设备。晶体管可以看作是电控断路器,它闭合时线圈连接到电源,线圈中才有电流通过。每个电机相位都需要一个晶体管电桥。

  • 预驱动器:控制晶体管激活的设备,它由MCU控制以提供所需的电压和电流。

  • MCU:通常由电机用户编程控制的微控制器单元,它为预驱动器生成特定信号以获得所需的电机行为。

图7为步进电机控制方案的简单示意图。预驱动器和晶体管电桥可以包含在单个设备中,即驱动器。

Motor control basic scheme
图7: 电机控制基本方案

步进电机驱动器类型

市面上有各种不同的 步进电机驱动器,它们针对特定应用具有不同的功能。但其最重要的特性之一与输入接口有关,最常见的几种输入接口包括:

  • Step/Direction (步进/方向) –在Step引脚上发送一个脉冲,驱动器即改变其输出使电机执行一次步进,转动方向则由Direction引脚上的电平来决定。

  • Phase/Enable(相位/使能) –对每相的定子绕组来说,Enable决定该相是否通电, Phase决定该相电流方向,。

  • PWM – 直接控制上下管FET的栅极信号。

步进电机驱动器的另一个重要特性是,除了控制绕组两端的电压,它是否还可以控制流过绕组的电流:

  • 拥有电压控制功能,驱动器可以调节绕组上的电压,产生的扭矩和步进速度仅取决于电机和负载特性。

  • 电流控制驱动器更加先进,因为它们可以调节流经有源线圈的电流,更好地控制产生的扭矩,从而更好地控制整个系统的动态行为。

单极/双极电机

另一个可能对电机控制产生影响的特性是其定子线圈的布置,它决定了电流方向的变化方式。为了实现转子的运动,不仅要给线圈通电,还要控制电流的方向,而电流方向决定了线圈本身产生的磁场方向(见图8)。

步进电机可以通过两种不同的方法来控制电流的方向。

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