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今日知识分享步进电动机工作原理及特点

2年前 (2023-05-26)知识分享73

步进电机(stepper motor)是一种是将电脉电流信号转变为角位移或线位移的控制元件。简单的说,你给步进电机一个脉冲电流信号,它就会转动一个角度,所以具有定位精度高的特点。

普通的直流或交流电机只要施加合适的电压就能够使其转动,断电即可使其停止转动,控制起来虽然很方便,但有些时候,我们需要很精确地控制转动的角度,以便实现一些高精度的定位操作。例如DVD播放器或硬盘控制读盘时,打印机控制打字位置时,监控器控制转向时,数控机床进行定位时,机器人控制动作时等等,普通的电机很难满足这种需求,而步机电机就可以。从名称也可以看出,步进电机就是“按步前进”的电机,一次只会旋转一个固定的角度,每旋转一次可称为1拍,而每拍旋转的角度可称为步距角

为了进一步理解步进电机的硬件驱动电路设计,我们先来了解一下它的基本结构。最简单的步进电机如下图所示

可以看到,步进电机与所有电机一样分为定子(stator)与转子(rotor),在定子周围均匀分布的齿槽上缠绕的那些线圈(coil),我们可以称为绕组或相,这些绕组按对进行排列,其中绕组A与A’形成一对,绕组B与B’形成一对。而转子则是一块能够绕中心任意旋转的永磁铁,它有N与S两极。由于定子上存在两个绕组,而转子上存在两个磁极,所以我们也可以称其为双相双极电机。绕组注入一定电流时就会产生一定的磁场,它也有N与S两极,从不同绕组注入电流就可以改变磁场的极性,从而能够对永磁铁转子产生不同方向的吸力,这是转子旋转的基本原理。

下面我们具体来看看转子是怎么旋转的。假设电流从绕组A注入再从绕组A’流出,则两个绕组都会产生一定的磁场。根据右手定则,线圈A与线圈A’产生的磁场方向均为上N下S,再根据“同名相斥、异名相吸”的基本原理,永磁铁的N极会被绕组A产生的磁场S极吸过来,与此同时,永磁铁的S极会被绕组A’产生的磁场N极吸过来,它们的吸力是同时产生的,也就引起转子顺时针旋转90o,如下图所示(以转子中红色N极为参考基准)

至此,我们对电机绕组完成一个周期的电激励,电机转子也旋转了一整圈。用来激励的脉冲越多,电机转动的角度就越大,脉冲的频率越高,电机的转速也就越快,但不能超过最高频率,否则电机的力矩迅速减小,电机将不会旋转。

我们可以使用时序图来表示前述整个驱动过程,如下图所示。

图中的驱动(Driver)模块用来提升驱动能力,因为一般处理器的IO引脚的电流不足以直接驱动电机旋转,后续会再详细讨论。

我们把按上述顺序驱动电机旋转的励磁方式称为全步模式(full-stepping),在英文数据手册中可能会标记为“1-1phase”。此种激励方式中每次电流只对一个绕组进行激励,它的好处就是消耗的电流比较低。

当然,想让步进电机旋转的励磁方式还有很多,例如我们也可以每次同时对两个绕组进行激励,激励顺序依次为A与B、B与A’、A’与B’、B’与A、A与B……具体情况如下图所示。

这种励磁方式也是全步驱动,英文数据手册中可能会标记为“2-2phase”。由于两个绕组同时通电,所以相对之前的励磁方式可以获得更好的扭矩和速度,只是要多消耗一些电流。使用时序图可表示如下

另外一种比较复杂的微步驱动方式(microstepping),它的时序波形如下图所示:

可以看到,两个绕组被两个相隔90o的正弦波激励(总体波形与“2-2-phase”相同,只不过激励电流不是矩形波),只要控制流过绕组的方向和幅度,就可以增加电机在一次完整旋转时所需要的步数,这种方式具有良好的扭矩和平衡的操作,大家现在了解一下即可,后续再详细讨论。

当然,我们目前讨论的电机可以说最简单的,再来看一个双相六极电机,如下图所示。

与双相双极电机唯一不同的是,转子包含了3个永磁铁,拥有6个磁极,我们同样看一下它的驱动方式,如下图所示(以转子上的红色N极为参考基准):

当然,步进电机根据力矩产生的原理可以分为三种类型,其一为永磁步进电机(PermanentMagnet,PM),也称为永磁或激磁式步进电机,它的永磁转子会根据施加的脉冲被排斥或吸引到定子,我们前面讨论的就是这种,它具有动态性能好,输出力矩大的特点;

其二为可变磁阻步进电机(Variable Reluctant, VR),也称为反应式步进电机,它的转子由软磁材料组成,被定子磁极吸引后通过定子和转子之间的最小磁阻提供运动,它的结构简单,成本低,但是动态性能差、效率低、发热量也大。

其三为混合同步步进电机(Hybrid synchronous, HB):它是可变磁阻和永磁步进电机的组合。

我们来看看三相可变磁阻步进电机的基本结构,如下图所示:

可以看到,可变磁阻步进电机与永磁步进电机的结构差不多,主要区别在于转子不再是永磁铁,而是由软磁材料(如硅钢片)制造的,转子周围均匀分布了一些齿子,这里特别需要注意:转子齿与定子齿之间的对应关系当转子的一对齿子与一对定子齿对齐时,转子的另一对齿子恰好指向定子齿的间隙处,也就是我们所说的错齿,它是步进电机旋转的原因

我们具体来看看它的驱动原理,如下图所示。

至此,转子旋转了90o。然后紧接着再依次从绕组A’、B’、C’、A、B、C….注入电流即可使转子持续旋转,我们把依次激励绕组A、B、C、A’、B’、C’、A、B、C…的方式称为三相单三拍驱动方式。与永磁式步进电机相似,也可以每次同时将电流注入两个绕组,即绕组激励次序为AB、BC、CA’、A’B’、B’C’、C’A、AB…..,这种励磁方式称为三相双三拍驱动方式。还可以混合三相单三拍三相双三拍方式进行驱动(步距角为15o),也称为三相六拍驱动方式,我们就不再赘述了,你懂的。

再来看一下四相步进电机的结构,如下图所示:

很明显,转子的齿数越多,步距角就越小,相应的定子上也会细分更多均匀分布的小齿。转子齿数为40的三相步进电机如下图所示

相应的定子与转子展开图如下所示:

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