|
步进电动机及其驱动装置 步进电动机是一种完成增量运动的电磁机械。步进电动机区别于其他电动机的最大特点是它接收数字控制信号（电脉冲信号），把电脉冲信号转换成角位移，因此又称为脉冲电动机。它本身就是一个完成数字／模拟转换的执行元件。
顾名思义，对应每一个输入指令脉冲，步进电动机就旋转一个规定的角度（称步距角）或位置增量。步进电动机输出的角位移（即转子的转角）与输入的指令脉冲数成正比；步进电动机的转速咒（即转子的转速）与指令脉冲频率成正比；转矩由磁阻作用产生，旋转方向则取决于脉冲的顺序。在步进电动机负载能力允许下，这种线性关系不会因负载变化等因数而变化，所以可以在较宽的范围内，通过对指令脉冲的频率和数量的控制，实现对其运动速度和位置的控制。
步进电动机与其他电动机的差别主要是步进电动机一定要与控制脉冲联系起来才能运行，否则无法工作。步进电动机最简单运行方式是与控制脉冲组成开环系统，这样的所谓增量位置控制系统与传统的交直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整，因此，随着运动控制系统数字化到来，步进电动机的应用日益广泛。与之相适应，各国半导体厂商开发和生产了大量适用于步进电动机控制的专用集成电路。
步进电动机的结构和工作原理
步进电动机可分为磁阻式（即反应式）和永磁式两大类，另有一种混合式又称感应子式的步进电动机从控制的角度看与永磁式区别不大。本节主要介绍磁阻式步进电动机。
磁阻式步进电动机
磁阻式步进电动机又称反应式步进电动机，是目前比较流行的一种步进电动机，它利用了磁通力图寻找磁阻最小路径中产生转矩的特性。我们应用图11.20来说明这种电动机的工作原理。
磁阻式步进电动机的定子上装有多相励磁绕组，图11.20中为最常使用的三相绕组步进电动机的示意图。三相绕组形成6个磁极。转子由软磁材料制成，上有4个齿。当A相绕组通电，而B、C相绕组均不通电时，由于磁通力图走磁阻最小路径，使磁路磁阻最小，因此产生磁阻转矩使齿1、3的轴线与定子A相磁极对齐。在下一时刻给B相通电，断开A相供电将使转子齿2、4的轴线与B相磁极对齐，转子因此整体上逆时针旋转了30°。因此按A-B-C—A…的顺序使三个绕组轮流通电将使得转子逆时针方向连续旋转。如果按A-C-B-A…的顺序通电，转子将顺时针旋转。由此可得到如下的判断：
(1)步进电动机的旋转方向取决于绕组通电的顺序；
(2)电动机的转速取决于绕组通断的频率；
(3)绕组的每次通电切换，转角步进的距离为转子齿间夹角距的l/m，亦即步距角为齿距的l/m。
上述步进电动机模型中每步步距角为30°，很难适应精细控制的要求。实际的电动机采用如图11. 21的结构。在这种结构中定子磁极的极弧上开有一些均匀分希的小齿，转子表面也均匀分布着小齿。转子小齿之间按角度度量的齿距和定子的齿距完全相等。所谓齿距就是相邻两齿中心线的夹角，又称为齿距角DT=360°/Zr 式中DT-齿距； Zr-转子的齿数。
由于开了这些小齿，转子在绕组切换时的转动在小于DT的范围内就能找到一个磁阻最小的位置，这样就大大减小了步距角，提高了运动的分辨率。 
从图11. 20的分析中注意到当转子的齿与某一磁极的齿完全吻合时，对于m相电动机来说，转子的齿与其他二相磁极的齿必须依次错开l/m齿距。对于三相电动机来说，当A相通电时，转子的小齿与B、C两相磁极上的小齿必须依次错开DT/3。在这种约束下，转子的齿数就不能是任意数值，而是必须满足以下的条件Zr/2p=K±1/m即Zr=2p(K±1/m)=2pK±2
式中K-正整数; p-极对数； m-相数，p=m。
例如对于图11.20中的结构，令p=m=3，K=1，则可求得Zr=4或8。
上述的这种电动机结构称为单段式的结构。这种结构使得电机制造相对较为简单，精度容易保证，步距角也可以做得较小，容易得到较高的启动和运行频率。其缺点是当电机的直径较小、相数较多时制作较为困难。因此产生了多段式结构。
图11.22表示一个三相多段式步进电动机的结构。这种结构中每相都有自己独立的一套定子和转子，沿着转轴的方向装配在一起。如图11.22中右边的截面图所示，每相的转子的齿数可以等于定子的齿数，齿距严格相等。定子上的各相绕组的连接使得相邻两磁极极性相反，当绕组通电时，所有的转子齿均与定子齿一一相对。定子和转子的装配有两种做法：一种是使三个定子的齿形对齐，使三个转子按A、B、C的顺序依次错开1/3个齿距；另一种做法则相反，让三个转子的齿形对齐，而让定子错开1/3个齿距。
多段式步进电动机定子空间利用率较好，环形控制绕组制作方便。转子可做成细长型以减小转动惯量。步距角可做得较小。多段式步进电动机绕组通电的切换方式与单段式电动机一样。这里还可以注意到多段式步进电动机对转子的齿数没有特殊的限制。
对于步进电动机，某一相绕组通电（励磁）后，如果转子进入稳定零位，则电磁转矩等于零。所谓稳定零位就是电磁转矩在理论上等于零的那些稳定位置。如果用外加转矩迫使转子离开稳定零位，步进电机将由于磁阻的变化产生复位转矩，复位转矩力求克服外加转矩使转子回到磁阻最小的稳定零位。在步进电机中，被励磁的磁极下转子与定子齿齿相对的位置就是磁阻最小的稳定零位。复位转矩也就是静态下的堵转转矩，它是转子位置的函数。图11. 23为磁阻式步进电动机绕组励磁电流恒定时静态堵转转矩随转子位置变化的曲线，该曲线称为矩角特性曲线。该曲线的横坐标为空间几何角度，坐标原点为转子的稳定零位，或者说是被励磁的磁极下被选作参考点的某一定子齿的中心线位置。
步进电动机的旋转是通过按照一定的节拍（速率）改变绕组通断方式而实现的。节拍和状态的变化体现为绕组电流脉冲的组合。通电脉冲方式不同时，产生不同的工作方式。例如三相步进电动机可使用如图11. 24所示的单极性开关电路实现绕组的通断，而通断的方式则有单三拍、双三拍和单双六拍等三种工作方式。 
(1)单三拍工作方式
由控制脉冲的触发下，开关按Ti、Tz、T3顺序连续接通步进电动机，步进电动机按A—B—C—A…的顺序轮流供电给定子各个绕组，步进电动机的转子齿在磁力作用下与通电磁极下的定子齿对齐，按步距角产生步进的旋转。如果当开关按Ti、T3.T2顺序连续接通，步进电动机按A—C—B—A…的顺序供电，步进电动机变成按与上述相反的方向位移。上述通电方式称为单三拍工作方式。
(2)双三拍工作方式
由控制脉冲使开关按T，T2、T2T3、T。T，顺序连续接通，步进电动机按AB—BC- CA—AB--顺序轮流供电给定子绕组。通过分析可知转子受两相磁场的共同作用，其稳定位置偏移了1/2个步距角，亦即1/6个齿距。双三拍方式的优点是总有一相绕组通电，避免单三拍方式中瞬间所有绕组都不通电而导致的不稳定现象。但是双三拍方式下的步距角利单三拍的相同。上面的通断顺序相反将使得电动机反转。
(3)单双六拍工作方式
控制脉冲使开关按Ti、TIT2、T2、T2T3、T3、T3Tl六个顺序连续接通步进电动机时，步进电动机按A—AB—B-*BC—C-*CA—A-的顺序轮流供电给定子绕组。参照图11. 25，很容易得到这种运行方式下的步距角是前两者的一半的结论。同样，六拍控制顺序的倒转将使得电动机反转。
永磁式与混合式步进电动机
永磁式步进电动机采用永磁转子结构，使定子脉冲电流产生的磁场和转子永磁磁场相互作用而产生旋转转矩，带动负载运行。从原理分析可知，磁阻式步进电动机的相数不得少于三相，而永磁和混合式步进电动机应用最多的则是两相。
图11. 26左边为永磁步进电动机的结构和转子，右边表示一个两相永磁式步进电动机的工作原理。永磁转子步进电动机有一个径向充磁的转子，磁极数可为2极至数十极。定子有2至4个定子段，每段有一个双绕线圈，即用双线绕法一次绕制两个线圈。两个线圈的公共点引出接至供电电源的正端或负端，各线圈的另一端通过开关器件控制其通电与否。该电机有一个两极的转子和两个定子段。下面按拍来分析电机的工作过程。
在第1拍中S．和S。闭合，电流通过绕组形成的定子磁场极性和转子的位置均如图11. 26所示，转子上的箭头指向位置1。
在下面的3拍中开关闭合的顺序分别是S2一S3、S2一S4和S4一S1，每拍中改变一个定子的磁场极性，经分析可以看到每拍转子逆时针旋转90。，箭头依次指向2、3、4，四拍完成一个循环。
在这种结构中定子每相有两个绕组，并且只能通过一个方向的电流，这种驱动方式叫单极性驱动。如果每相只用一个绕组，在电路设计中使得绕组中电流可以反向流动，同样可以实现上述的使定子磁场改变极性的结果，这种驱动方式叫双极性驱动。
这种原理性的永磁步进电动机的步距角为90。，实际的永磁步进电动机改变设计，采用多极定子和转子，得到小得多的步距角。
目前和磁阻式步进电动机一样得到广泛应用的是一种也采用永磁转子的混合式（感应子式）步进电动机，所以叫混合式是因为这种电动机是在永磁和变磁阻的共同作用下工作的。
图11. 27左边给出混合式步进电动机的轴向剖面图。定子铁心的齿槽与磁阻式电动机相同，和永磁式电动机一样配置有双绕组或单绕组，分别适用于单极性驱动或双极性驱动。转子中含有一个轴向磁化的永磁体，这个永磁体产生一个单向磁场，磁路通过转子、气隙和定子闭合。由软磁材料制作的两段转子分别被永磁体磁化为N极和S极，A-A和B-B截面分别表示了S段和N段转子。图中可以看到两段转子具有相同的齿数，但是错开半个齿距。
下面利用图11. 28进一步说明混合式步进电动机的工作原理。图中的电动机定子有4个沿圆周均匀分布的齿，线圈绕制在齿上且成对连接。具有不同极性的两段转子各有3个齿。图中以实线表示S段，以虚线表示N段，两段转子交错半个齿距。
当绕组中不通电流时，因为转子中的永磁体总是试图减少磁路中的磁阻，转子将趋向有限的若干位置，直至N极和S极转子上各有一齿与定子磁极对齐。对于图中的电机来说，这样的位置有12个。将转子保持在这些位置上的转矩通常不大，称之为维持转矩。
如果如图11. 28(a)那样有电流通过一相绕组，在定子上产生的N极和S极将吸引异性转子段上的齿，在这种情况下，只有和转子的齿数一样的3个稳定位置，将转子从定位位置上拉开的转矩要大得多，称为锁定转矩。
将通电方式由图(a)切换至图(b)，定子磁场转过90。，并将吸引另一对齿，结果转子旋转了30。，相当于一个整步。在从图(b)到图(c)中，励磁又回到前一绕组，但是电流方向相反，可使转子再前进一整步。在图(d)中再使第二相绕组电流反向又可前进一步。这样转子就走过了一个齿距。步骤从图(d)后再回到图(a)，如此反复，形成电动机的旋转运动，每转需要12步。显然，以相反的顺序激励定子绕组，电动机将反转。
通常定子的小齿以不同于转子的齿距均匀分布，在齿数较多的电动机中（如图11. 27），定子和转子的齿距排列使得只有转子对面的两个齿与两个相距180。的定子齿完全对齐。同时，相距90。机械角处的定转子齿则完全错开。对于这样结构的混合式电动机，可用如下的公式计算其每转步数N=┃NrNs/(Ns-Nr)┃
其中，N为每转步数；Nr和Ns分别是转子和定子的齿数。对于图11.27中的例子，Nr和Ns分别是8和10，则可计算出这种电动机每转40步，步距角为9。。
|
