【導(dǎo)讀】步進(jìn)電機(jī)具有獨(dú)特的開環(huán)位置控制性能,這使它在智能時代廣受歡迎。為確保步進(jìn)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)時輸出扭矩的平滑,需要考慮每個器件獨(dú)特的需求。而電機(jī)旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性則與其物理結(jié)構(gòu)和控制模式密切相關(guān)。
本文將介紹雙極性步進(jìn)電機(jī)及其結(jié)構(gòu)和控制模式。
雙極性步進(jìn)電機(jī)的基本組件
步進(jìn)電機(jī)屬于直無刷(BLDC) 電機(jī),它按照等長的步進(jìn)值逐步轉(zhuǎn)動。而雙極性步進(jìn)電機(jī)則是每相都擁有一個繞組的步進(jìn)電機(jī),具體而言,為兩相四線步進(jìn)電機(jī)。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(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖
定子
定子是電機(jī)的靜止部分。繞組繞在8個定子上,每個定子的磁芯上都有5個齒(見圖1)。
A 相的繞組從定子 1 開始,然后依次繞到定子 3、定子 5 和定子 7(見圖 2)。 注意,定子1和定子5的繞組方向相同,而定子3和定子7的繞組方向相同。這兩組繞組(定子 1 和定子 5,以及定子 3 和定子 7)的繞線方向相反。B相的繞組原理與之相同,其中定子4和定子8為一組,定子2和定子6為一組。
圖2: 雙極性步進(jìn)電機(jī)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(jié)構(gòu)。
圖3: 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
圖4展示了轉(zhuǎn)子的側(cè)視截面圖。
圖4:轉(zhuǎn)子側(cè)視截面圖
永磁體的磁力線在電機(jī)主體中形成閉合。由于磁力線和磁阻效應(yīng),步進(jìn)電機(jī)即使在不通電的情況下也有一定的鎖定力矩(見圖4)。
根據(jù)齒數(shù)和相位結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子共有50個齒與定子齒輪相對,步進(jìn)角度為1.8度(見圖5)。步進(jìn)角度定義為當(dāng)電氣周期完成90度時,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子向前移動的機(jī)械角度。
圖5: 1.8°步進(jìn)角度
步進(jìn)模式
將雙極性步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡化可以更好地理解其控制方法(見圖6)。
圖 6:雙極性步進(jìn)電機(jī)的簡化示意圖
步進(jìn)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子可以被看作只有一個齒,這使步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式不同于其他電機(jī)。這種方法稱為雙全橋驅(qū)動,其中 A 相繞組連接到第一個全橋驅(qū)動器,而 B 相繞組連接到第二個全橋驅(qū)動器(見圖 7)。
圖 7:雙全橋驅(qū)動器電路圖
雙極性步進(jìn)電機(jī)具有三種控制模式:單相步進(jìn)、整步步進(jìn)和半步步進(jìn)(見表 1)。
表1: 步進(jìn)電機(jī)的控制模式
單相步進(jìn)
當(dāng)電機(jī)按單相步進(jìn)方式依次驅(qū)動A相和B相時,定子磁場發(fā)生變化,轉(zhuǎn)子因極性吸引而轉(zhuǎn)動。表1中詳細(xì)描述了 A 相和 B 相 (AB) 的通電順序和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置。
單相步進(jìn)過程具體包括三個步驟,如下所述:
1. A相被驅(qū)動時,驅(qū)動電流從Q1流向Q4。在此期間,定子 A 的上端在 N,下端在 S,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到位置 8(見圖 6)。
2. 接下來,B相被驅(qū)動,驅(qū)動電流從Q5流向Q8。定子 B 的一端在 S,另一端在 N,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到位置 2(見圖 6)。
3. 在接下來的兩個狀態(tài)中,轉(zhuǎn)子在循環(huán)啟動順序后開始旋轉(zhuǎn)。
圖 8 顯示了單相步進(jìn)期間 AB 相的電流波形。
圖 8:AB 相的單相步進(jìn)電流波形
整步步進(jìn)
與單相步進(jìn)不同,A 相和 B 相繞組在整步模式下將被同時驅(qū)動。另外還有四種對應(yīng)的通電模式和轉(zhuǎn)子電氣位置;其位置空間在電氣空間上不同于單相步進(jìn)。 轉(zhuǎn)子可以根據(jù)器件的啟動順序旋轉(zhuǎn)。圖 9 顯示了 AB 相的整步電流波形。
圖 9:整步(AB 相電流波形)
半步步進(jìn)
在半步模式下,單相和整步步進(jìn)共同工作,可以提供更多的電氣角度位置、更詳細(xì)的電流波形和更平滑的旋轉(zhuǎn)。
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(jié)語
本文回顧了雙極性步進(jìn)電機(jī)的基本組件(定子和轉(zhuǎn)子),及其三種主要的控制模式:單相步進(jìn)、整步步進(jìn)和半步步進(jìn)。在下一篇文章中,我們將討論雙全橋驅(qū)動的微步進(jìn)模式。
MPS 提供豐富的 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 產(chǎn)品,可以滿足各種應(yīng)用需求。
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀:
如何為設(shè)計匹配最合適的氣壓傳感器?這份“3483”選型法則請收好