四線雙極性步進電機原理(參考資料)

1、A味儀供秦恙，氣盹卿可刪徐雙極性步進電機原理電動機一般分兩種，一種為直流電機，另一種是步進電機。日常生活中的電風(fēng)扇、風(fēng)筒、抽風(fēng)機等一般是直流 電動機。本文主要介紹步進電機。步進電機也叫步進器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，人們早在20世紀(jì)20年代就開始使用這種電機。隨著嵌入式系統(tǒng)（例如打印機、硬盤驅(qū)動器、玩具、雨刷、震動尋呼機、工業(yè)機械手臂和錄像機等）的日益流行,步進電機的使用也開始暴增。不論在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、汽車還是娛樂業(yè)中，只要需要把某件物體從一個位置精確 移動到另一個位置，步進電機就一定能派上用場。步進電機有許多種形狀和尺寸，但不論形狀和尺寸如何，它們都 可以歸為兩類：可變磁阻

2、步進電機和永磁步進電機。以下重點討論更為簡單也更常用的永磁步進電機。、雙極性步進電機1雙極性步進電機的構(gòu)造雙極性步進電機之所以如此命名，是因為每個繞組可以兩個方向通電。因此每個繞組的其中一端既可以是N極也可以是S極。它還被成為亮相步進電機因為，它有兩組獨立的線圈。此極電迓如圖1所示，步進電機是由一組纏繞在電機固定部件-定子齒槽上的線圈驅(qū)動的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。如果線圈中電流的流向如圖1所示，并且我們從電機頂部向下看齒槽的頂部，那么電流在繞兩個齒槽按逆時針流向流動。根據(jù)安培定律和右手準(zhǔn)則，這樣的電流會產(chǎn)生一個北極向上的

3、磁場。A丸僅供秦左，氣収卿可刪徐|H現(xiàn)在假設(shè)我們構(gòu)造一個定子上纏繞有兩個繞組的電機，內(nèi)置一個能夠繞中心任意轉(zhuǎn)動的永久磁鐵，這個可旋轉(zhuǎn) 部分叫做轉(zhuǎn)子。圖2給出了一種簡單的電機，叫做 雙相雙極電機，因為其定子上有兩個繞組，而且其轉(zhuǎn)子有兩個磁 極。如果我們按圖 A所示方向給繞組1輸送電流，而繞組2中沒有電流流過，那么電機轉(zhuǎn)子的南極就會自然地按圖 中所示，指向定子磁場的北極。再假設(shè)我們切斷繞組 1中的電流，而按圖 B所示方向給繞組2輸送電流，那么定子的磁場就會指向左側(cè)，而轉(zhuǎn) 子也會隨之旋轉(zhuǎn)，與定子磁場方向保持一致。接著，我們再將繞組 2的電流切斷，按照圖 C的方向給繞組1輸送電流，注意：這時繞組 1中

4、的電流流向與圖 A所示方向相反。于是定子的磁場北極就會指向下，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其南極也指向下方。然后我們又切斷繞組 1中的電流，按照圖 D所示方向給繞組2輸送電流，于是定子磁場又會指向右側(cè)，從而使 得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其南極也指向右側(cè)。最后，我們再一次切斷繞組 2中的電流，并給繞組1輸送如圖A所示的電流，這樣，轉(zhuǎn)子又會回到原來的位置。 至此，我們對電機繞組完成了一個周期的電激勵，電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一整圈。也就是說，電機的電頻率等于它轉(zhuǎn) 動的機械頻率。如果我們用1秒鐘順序完成了圖2所示的這4個步驟，那么電機的電頻率就是1Hz。其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一周，因而其機械頻率也是1Hz?？傊?，一個雙相步進電機的電頻率和機械

5、頻率之間的關(guān)系可以用下式表示：fe = fm*P/ 2其中，fe代表電機的電頻率，fm代表其機械頻率，而 P則代表電機轉(zhuǎn)子的等距磁極數(shù)。從圖2中我們還可以看出，每一步操作都會使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90,也就是說，一個雙相步進電機每一步操作造成的旋轉(zhuǎn)度數(shù)可由下式表示：1 step = 180 /P由等式可知，一個雙極電機每動作一次可以旋轉(zhuǎn)180 /2=90，這與我們在圖2中看到的情形正好相符。此外，該等式還表明，電機的磁極數(shù)越多，步進精度就越高。常見的是磁極數(shù)在12和200個之間的雙相步進電機，這些電機的步進精度在15 和0.9之間。圖3給出的例子是一個雙相、6極步進電機，其中包含 3個永久磁鐵，因而有 6

6、個磁極。一，如圖A所示，我們給繞組1施加電壓，在定子中產(chǎn)生一個北極指向其頂部的磁場，于是，轉(zhuǎn)子的南極（圖3a中紅色的“ S 端）轉(zhuǎn)向了該圖的上方。二，在圖B中，我們給繞組2施加電壓，定子中產(chǎn)生一個北極指向其左側(cè)的磁場。于是，轉(zhuǎn)子的一個距離最近 的南極轉(zhuǎn)向了圖的左方，即轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動了30。三，在圖C中，我們又向繞組1施加一個電壓，在定子中產(chǎn)生一個北極指向圖下方的磁場，從而又使轉(zhuǎn)子順時 針旋轉(zhuǎn)30到達圖C所示的位置。四，而在圖D中，我們給繞組2施加電壓，在定子中產(chǎn)生一個北極指向定子右側(cè)的磁場，再一次使轉(zhuǎn)子順時針 旋轉(zhuǎn)30,到達圖D所示的位置。最后，我們再向繞組1施加電壓，產(chǎn)生一個如圖3a所示的北

7、極指向定子上方的磁場，使得轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn) 30,結(jié)束一個電周期。如此可以看出，4步電激勵造成了 120。的機械旋轉(zhuǎn)。也就是說，該電機的電頻率是機械頻率的3倍，這一結(jié)果符合等式。此外，我們從圖3和等式也能看出，該電機的轉(zhuǎn)子每一步旋轉(zhuǎn)30。如果同時向兩個繞組輸送電流，還能增大電機的扭矩，如圖4所示。這時，電機定子的磁場是兩個繞組各自產(chǎn)生的磁場的矢量和， 雖然這一磁場每一次動作仍然只使電機旋轉(zhuǎn)90,就象圖2和圖3中一樣，但因為我們同時激勵兩個電機繞組，所以此時的磁場比單獨激勵一個繞組時更強。由于該磁場是兩個垂直場的矢量和，因此它等于單 獨每個場的2 X 1.414倍，從而電機對其負(fù)載施加的扭矩也成正

8、比增大。2雙極性電機的激勵順序既然我們知道了一系列激勵會使步進電機旋轉(zhuǎn)，接下來就要設(shè)計硬件來實現(xiàn)所需的步進序列。一塊能讓電機動 起來的硬件（或結(jié)合了硬件和軟件的一套設(shè)備 ）就叫做電機驅(qū)動器。a 二rJJ 1 M *1 mn m jAa 1f vQ * JjAF* 7 M WIM/M從圖4中可以看出我們怎樣激勵雙相電機的繞組才能使電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，圖中，電機內(nèi)的繞組抽頭分別被標(biāo)為1A、1B、2A和2B。其中，1A和1B是繞組1的兩個抽頭，2A和2B則是繞組2的兩個抽頭。首先，要給腳1B和2B施加一個正電壓，并將 1A和2A接地。然后，給腳 1B和2A施加一個正電壓，而將 1A 和2B接地，這一過程其

9、實取決于導(dǎo)線繞齒槽纏繞的方向，假設(shè)導(dǎo)線纏繞的方向與上一節(jié)所述相符。依次進行下去， 我們就得到了表1中總結(jié)的激勵順序，其中，“1 ”表示正電壓，“ 0”表示接地。R */ S1ZS2電流在電機繞組中有兩種可能的流向，這樣的電機就叫做雙極性電機和雙極驅(qū)動序列。雙極電機通常由一種叫做H橋的電路驅(qū)動，圖5給出了連接H橋和步進電機兩根抽頭的電路。H橋通過一個電阻連接到一個電壓固定的直流電源（其幅度可根據(jù)電機的要求選取 ），然后，該電路再經(jīng)過 4個開關(guān)（分別標(biāo)為S1、S2、S3和S4連接到繞組的兩 根抽頭。這一電路的分布看起來有點象一個大寫字母H,因此叫做H橋。從表1中可以看出，要激勵該電機，第一步應(yīng)將抽

10、頭2A設(shè)為邏輯0, 2B設(shè)為邏輯1，于是，我們可以閉合開關(guān)S1和S4,并斷開開關(guān)S2和S3。接著，需要將抽頭2A設(shè)為邏輯1, 2B設(shè)為邏輯0,于是，我們可以閉合 S2、S3, 并斷開S1和S4。與此類似，第三步我們可以閉合S2、S3并斷開S1和S4，第四步則可以閉合 S1、S4并斷開S2、S3。對繞組1的激勵方法也不外乎如此，使用一對H橋就能產(chǎn)生需要的激勵信號序列。表2所示就是激勵過程中每一步開關(guān)所在的位置。注意，如果R=0,而開關(guān)S1和S3又不小心同時閉合，那么流經(jīng)開關(guān)的電流將達到無窮大。這時，不但開關(guān)會A味儀供秦左，取盹卿可刪徐被燒壞，電源也可能損壞，因此電路中使用了一個非零阻值的電阻。盡管這個電阻會帶來一定的功耗，也會降低電 機驅(qū)動器的效率，但它可以提供短路保護。單極性電機及其驅(qū)動器前面我們已經(jīng)討論了雙極性步進電機和驅(qū)動器。單極電機與雙極電機類似，不同的是在單極電機中外部能夠接 觸到的只有每個繞組的中心抽頭，如圖 6所示。我們將從繞組頂部抽出的抽頭標(biāo)為抽頭B,底部抽出的標(biāo)為抽頭 A,中間的為抽頭 C。有時我們會遇到一些抽頭沒有標(biāo)注的電機，如果我們清楚步進電機的構(gòu)造，就很容易通過測量抽頭之間的阻值，識別出哪些抽頭屬于哪根繞組。不同繞組的抽頭之間阻抗通常為無窮大。如果經(jīng)測量，抽頭A和C之間的阻抗為 100歐姆，那么抽頭 B和C之間的阻抗也應(yīng)是 100歐姆，而A和B之間