步進電機的結構和三種控制模式

在如今這個智能時代，步進電機因其特有的開環(huán)位置控制性能而被廣泛應用。各設備在步進電機轉(zhuǎn)動的過程中，對它輸出力矩的平滑性有一定的要求。轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性除了和步進電機的本體結構有關，也和步進電機的控制方式息息相關。

本文將介紹雙極性步進電機及其結構和控制模式。

雙極性步進電機的基本組件

步進電機屬于無刷直流（BLDC）電機，它按照等長的步進值逐步轉(zhuǎn)動。而雙極性步進電機則是每相都擁有一個繞組的步進電機，具體而言是兩相四線步進電機。它由定子和轉(zhuǎn)子兩個主要部件組成（見圖1）。

圖1：雙極性步進電機的結構示意圖

定子

定子是電機的靜止部分。8個定子上分別繞有兩相雙極性繞組，每個定子鐵芯上帶有五齒（見圖1）。

A相繞組繞線從定子1開始繞，依次繞到定子3、5、7上（見圖2）。值得注意的是，定子1和5的繞線方向相同，而定子3和7的繞線方向相同。這兩組（定子1和5，以及定子3和7）的繞線方向相反。B相繞組也是以同樣的原理進行繞制，其中定子4和8為一組，定子2和6為一組。

圖2：雙極性步進電機的繞組原理圖

轉(zhuǎn)子

通常轉(zhuǎn)子上貼有軸向充磁的永磁體。圖3所示為轉(zhuǎn)子的結構。

圖3：轉(zhuǎn)子結構示意圖

圖4展示了轉(zhuǎn)子的側面截面圖。

圖4：轉(zhuǎn)子側面截面圖

永磁體的磁力線在電機本體內(nèi)形成閉合。由于磁力線和磁阻效應，即使步進電機在不通電的情況下也有一定的鎖定力矩（見圖4）。

轉(zhuǎn)子上擁有50個齒，和定子齒輪相對起來，由于這樣的齒數(shù)和相數(shù)結構，它擁有1.8度的步進角度（見圖5）。步進角度：電氣周期完成90度，步進電機轉(zhuǎn)子前進的機械角度。

圖5：1.8°步進角度結構示意圖

步進模式

為了方便講解后續(xù)的控制方式，我們將復雜的結構圖簡化為示意圖（見圖6）。

圖6：雙極性步進電機簡化示意圖

步進電機的定子和轉(zhuǎn)子可以被看作都只有一個齒，這使步進電機的驅(qū)動方式不同于其他電機。這種方法叫做雙全橋驅(qū)動，其中A相繞組接在第一個全橋驅(qū)動上， B相繞組接在第二個全橋驅(qū)動上（見圖7）。

圖7：雙全橋驅(qū)動電路圖

雙極性步進電機具有三種控制模式：單相步進、整步步進和半步步進（見表1）。

表1：步進模式表

單相步進

當A相和B相按照單相步進的模式依次通電的時候，定子磁場會相應地發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子也會由于極性吸引而轉(zhuǎn)動。表1中詳細描述了A相和B相（AB）的通電順序和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動位置。

單相步進過程具體包括三個步驟，如下所述：

· 當A通電的時候，驅(qū)動電流由Q1流向Q4。此時定子A上端為N，下端在S，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到位置8（見圖6）。

· 接下來，B相通電，驅(qū)動電流由Q5流向Q8。此時定子B左端為S，右端為N，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到位置2（見圖6）。

· 接下來兩個狀態(tài)原理和上面類似，循環(huán)這一通電順序，轉(zhuǎn)子就開始轉(zhuǎn)動起來。

圖8顯示了單相步進AB相的電流波形。

圖8：單相步進AB相電流波形圖

整步步進

與單相步進不同的是，整步步進式AB繞組會同時進行通電。另外還有四個對應的通電方式和轉(zhuǎn)子電氣位置，只是其位置空間在電氣空間上不同于單相步進。根據(jù)整部的通電順序，轉(zhuǎn)子也能轉(zhuǎn)動起來。圖9顯示了AB相的整步電流波形。

圖9：整步步進AB相電流波形圖

半步步進

半步模式將單相步進和整步步進這兩種控制方式進行融合，它的電氣角度位置更多，電流波形更加細致，轉(zhuǎn)動更加平滑。

圖10顯示了單相到兩相操作的非循環(huán)半步模式。這種模式在整步和半步之間交替生成8步序列。

圖10：非循環(huán)半步模式

結語

本文回顧了雙極性步進電機的基本組件（定子和轉(zhuǎn)子），以及三種主要的控制模式：單相步進、整步步進和半步步進。