四線(xiàn)雙極性步進(jìn)電機(jī)原理

1、 雙極性步進(jìn)電機(jī)原理 電動(dòng)機(jī)一般分兩種，一種為直流電機(jī)，另一種是步進(jìn)電機(jī)。日常生活中的電風(fēng)扇、風(fēng)筒、抽風(fēng)機(jī)等一般是直流電動(dòng)機(jī)。本文主要介紹步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)也叫步進(jìn)器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，人們?cè)缭?0世紀(jì)20年代就開(kāi)始使用這種電機(jī)。隨著嵌入式系統(tǒng)(例如打印機(jī)、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、玩具、雨刷、震動(dòng)尋呼機(jī)、工業(yè)機(jī)械手臂和錄像機(jī)等)的日益流行，步進(jìn)電機(jī)的使用也開(kāi)始暴增。不論在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、汽車(chē)還是娛樂(lè)業(yè)中，只要需要把某件物體從一個(gè)位置精確移動(dòng)到另一個(gè)位置，步進(jìn)電機(jī)就一定能派上用場(chǎng)。步進(jìn)電機(jī)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(lèi)：可變磁阻步進(jìn)電機(jī)

2、和永磁步進(jìn)電機(jī)。以下重點(diǎn)討論更為簡(jiǎn)單也更常用的永磁步進(jìn)電機(jī)。一、 雙極性步進(jìn)電機(jī)1.雙極性步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造雙極性步進(jìn)電機(jī)之所以如此命名，是因?yàn)槊總€(gè)繞組可以?xún)蓚€(gè)方向通電。因此每個(gè)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(jìn)電機(jī)因?yàn)?，它有兩組獨(dú)立的線(xiàn)圈。如圖1所示，步進(jìn)電機(jī)是由一組纏繞在電機(jī)固定部件-定子齒槽上的線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線(xiàn)管，而在電機(jī)中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線(xiàn)圈、或相。如果線(xiàn)圈中電流的流向如圖1所示，并且我們從電機(jī)頂部向下看齒槽的頂部，那么電流在繞兩個(gè)齒槽按逆時(shí)針流向流動(dòng)。根據(jù)安培定律和右手準(zhǔn)則，這樣的電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)北極向上的磁場(chǎng)?，F(xiàn)在

3、假設(shè)我們構(gòu)造一個(gè)定子上纏繞有兩個(gè)繞組的電機(jī)，內(nèi)置一個(gè)能夠繞中心任意轉(zhuǎn)動(dòng)的永久磁鐵，這個(gè)可旋轉(zhuǎn)部分叫做轉(zhuǎn)子。圖2給出了一種簡(jiǎn)單的電機(jī)，叫做雙相雙極電機(jī)，因?yàn)槠涠ㄗ由嫌袃蓚€(gè)繞組，而且其轉(zhuǎn)子有兩個(gè)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(méi)有電流流過(guò)，那么電機(jī)轉(zhuǎn)子的南極就會(huì)自然地按圖中所示，指向定子磁場(chǎng)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(chǎng)就會(huì)指向左側(cè)，而轉(zhuǎn)子也會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)，與定子磁場(chǎng)方向保持一致 。接著，我們?cè)賹⒗@組2的電流切斷，按照?qǐng)DC的方向給繞組1輸送電流，注意：這時(shí)繞組1中的電流流向與圖A所示方向相反。于是定子的磁場(chǎng)北極就

4、會(huì)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?qǐng)DD所示方向給繞組2輸送電流，于是定子磁場(chǎng)又會(huì)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?cè)僖淮吻袛嗬@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(huì)回到原來(lái)的位置。 至此，我們對(duì)電機(jī)繞組完成了一個(gè)周期的電激勵(lì)，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一整圈。也就是說(shuō)，電機(jī)的電頻率等于它轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械頻率。 如果我們用1秒鐘順序完成了圖2所示的這4個(gè)步驟，那么電機(jī)的電頻率就是1Hz。其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一周，因而其機(jī)械頻率也是1Hz?？傊粋€(gè)雙相步進(jìn)電機(jī)的電頻率和機(jī)械頻率之間的關(guān)系可以用下式表示

5、： fe = fm*P/2其中，fe代表電機(jī)的電頻率，fm代表其機(jī)械頻率，而P則代表電機(jī)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(huì)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90°，也就是說(shuō)，一個(gè)雙相步進(jìn)電機(jī)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(gè)雙極電機(jī)每動(dòng)作一次可以旋轉(zhuǎn)180°/2=90°，這與我們?cè)趫D2中看到的情形正好相符。此外，該等式還表明，電機(jī)的磁極數(shù)越多，步進(jìn)精度就越高。常見(jiàn)的是磁極數(shù)在12和200個(gè)之間的雙相步進(jìn)電機(jī)，這些電機(jī)的步進(jìn)精度在15°和 0.9°之間。圖

6、3 給出的例子是一個(gè)雙相、6極步進(jìn)電機(jī)，其中包含3個(gè)永久磁鐵，因而有6個(gè)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(gè)北極指向其頂部的磁場(chǎng)，于是，轉(zhuǎn)子的南極(圖3a中紅色的“S”一端)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(gè)北極指向其左側(cè)的磁場(chǎng)。于是，轉(zhuǎn)子的一個(gè)距離最近的南極轉(zhuǎn)向了圖的左方，即轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)了30°。三，在圖C中，我們又向繞組1施加一個(gè)電壓，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向圖下方的磁場(chǎng)，從而又使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°到達(dá)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(gè)北極指向定子右側(cè)的磁場(chǎng)，再一

7、次使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°，到達(dá)圖D所示的位置。最后，我們?cè)傧蚶@組1施加電壓，產(chǎn)生一個(gè)如圖3a所示的北極指向定子上方的磁場(chǎng)，使得轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°，結(jié)束一個(gè)電周期。如此可以看出，4步電激勵(lì)造成了120°的機(jī)械旋轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)，該電機(jī)的電頻率是機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子每一步旋轉(zhuǎn)30°。如果同時(shí)向兩個(gè)繞組輸送電流，還能增大電機(jī)的扭矩，如圖4所示。這時(shí)，電機(jī)定子的磁場(chǎng)是兩個(gè)繞組各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)的矢量和，雖然這一磁場(chǎng)每一次動(dòng)作仍然只使電機(jī)旋轉(zhuǎn)90°，就象圖2和圖3中一樣，但因?yàn)槲覀兺瑫r(shí)激勵(lì)兩個(gè)電機(jī)繞組，

8、所以此時(shí)的磁場(chǎng)比單獨(dú)激勵(lì)一個(gè)繞組時(shí)更強(qiáng)。由于該磁場(chǎng)是兩個(gè)垂直場(chǎng)的矢量和，因此它等于單獨(dú)每個(gè)場(chǎng)的2×1.414倍，從而電機(jī)對(duì)其負(fù)載施加的扭矩也成正比增大。 2.雙極性電機(jī)的激勵(lì)順序既然我們知道了一系列激勵(lì)會(huì)使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，接下來(lái)就要設(shè)計(jì)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的步進(jìn)序列。一塊能讓電機(jī)動(dòng)起來(lái)的硬件(或結(jié)合了硬件和軟件的一套設(shè)備)就叫做電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。從圖4中可以看出我們?cè)鯓蛹?lì)雙相電機(jī)的繞組才能使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，圖中，電機(jī)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(gè)抽頭，2A和2B則是繞組2的兩個(gè)抽頭。首先，要給腳1B和2B施加一個(gè)正電壓，并將1A和2A接地。然

9、后，給腳1B和2A施加一個(gè)正電壓，而將1A和2B接地，這一過(guò)程其實(shí)取決于導(dǎo)線(xiàn)繞齒槽纏繞的方向，假設(shè)導(dǎo)線(xiàn)纏繞的方向與上一節(jié)所述相符。依次進(jìn)行下去，我們就得到了表1中總結(jié)的激勵(lì)順序，其中，“1”表示正電壓，“0”表示接地。電流在電機(jī)繞組中有兩種可能的流向，這樣的電機(jī)就叫做雙極性電機(jī)和雙極驅(qū)動(dòng)序列。雙極電機(jī)通常由一種叫做H橋的電路驅(qū)動(dòng)，圖5給出了連接H橋和步進(jìn)電機(jī)兩根抽頭的電路。H橋通過(guò)一個(gè)電阻連接到一個(gè)電壓固定的直流電源(其幅度可根據(jù)電機(jī)的要求選取)，然后，該電路再經(jīng)過(guò)4個(gè)開(kāi)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(lái)有點(diǎn)象一個(gè)大寫(xiě)字母H，因此叫做H橋

10、。從表1中可以看出，要激勵(lì)該電機(jī)，第一步應(yīng)將抽頭2A設(shè)為邏輯0，2B設(shè)為邏輯1，于是，我們可以閉合開(kāi)關(guān)S1和S4，并斷開(kāi)開(kāi)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(kāi)S1和S4。與此類(lèi)似，第三步我們可以閉合S2、S3并斷開(kāi)S1和S4，第四步則可以閉合S1、S4并斷開(kāi) S2、S3。對(duì)繞組1的激勵(lì)方法也不外乎如此，使用一對(duì)H橋就能產(chǎn)生需要的激勵(lì)信號(hào)序列。表2所示就是激勵(lì)過(guò)程中每一步開(kāi)關(guān)所在的位置。 注意，如果R=0，而開(kāi)關(guān)S1和S3又不小心同時(shí)閉合，那么流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流將達(dá)到無(wú)窮大。這時(shí)，不但開(kāi)關(guān)會(huì)被燒壞，電源也可能損壞，因此

11、電路中使用了一個(gè)非零阻值的電阻。盡管這個(gè)電阻會(huì)帶來(lái)一定的功耗，也會(huì)降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的效率，但它可以提供短路保護(hù)。二、 單極性電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器前面我們已經(jīng)討論了雙極性步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。單極電機(jī)與雙極電機(jī)類(lèi)似，不同的是在單極電機(jī)中外部能夠接觸到的只有每個(gè)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(shí)我們會(huì)遇到一些抽頭沒(méi)有標(biāo)注的電機(jī)，如果我們清楚步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造，就很容易通過(guò)測(cè)量抽頭之間的阻值，識(shí)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(wú)窮大。如果經(jīng)測(cè)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之間的阻抗為200歐姆。