步进电机的构造

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永久磁铁，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。 最后，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。 如果我们用如果我们用 1 1 秒钟顺序完成了图秒钟顺序完成了图 2 2 所示的这所示的这 4 4 个步骤，那么电机的电频率就是个步骤，那么电机的电频率就是 1Hz1Hz。其转子旋转了一周，。其转子旋转了一周， 因而其机械频率也是因而其机械频率也是 1Hz1Hz。。总之，一个双相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) 即 fe/P=fm/2 其中，fe 代表电机的电频率电频率，fm 代表其机械频率机械频率，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°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 在在 1212 和和 200200 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 图 3 给出的例子是一个双相、6 极步进电机，其中包含 3 个永久磁铁，因而有 6 个磁极。第一步，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，转子的一个距离最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。最后，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备)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双极驱动序列。双极电机通常由一种 叫做 H H 桥桥的电路驱动，图 5 给出了连接 H 桥和步进电机两根抽头的电路。H 桥通过一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。 图 5 从表 1 中可以看出，要激励该电机，第一步应将抽头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。 表表 1 1 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，