步進電動機為什麼需要驅動電路才能工作

2020-11-25 電子發燒友

　　步進電動機概述

　　步進電動機是將電脈衝激勵信號轉換成相應的角位移或線位移的離散值控制電動機，這種電動機每當輸入一個電脈衝就動一步，所以又稱脈衝電動機。

　　步進電動機的驅動電源由變頻脈衝信號源、脈衝分配器及脈衝放大器組成，由此驅動電源向電機繞組提供脈衝電流。步進電動機的運行性能決定於電機與驅動電源間的良好配合。

　　步進電機的優點是沒有累積誤差，結構簡單，使用維修方便，製造成本低，步進電動機帶動負載慣量的能力大，適用於中小型工具機和速度精度要求不高的地方，缺點是效率較低，發熱大，有時會「失步」。

　　步進電動機的分類

　　1、機電式步進電動機

　　機電式步進電動機由鐵心、線圈、齒輪機構等組成。螺線管線圈通電時將產生磁力，推動其鐵心心子運動，通過齒輪機構使輸出軸轉動一角度，通過抗旋轉齒輪使輸出轉軸保持在新的工作位置；線圈再通電，轉軸又轉動一角度，依次進行步進運動。

　　2、磁電式步進電動機

　　磁電式步進電動機其結構簡單，可靠性高，價格低廉，應用廣泛。主要有永磁式、磁阻式和混合式。

　　（1）永磁式步進電動機。其轉子有永磁體的磁極，在氣隙中產生極性交替磁場，定子由四相繞組組成（見圖）。當A相繞組通電時，轉子將轉向該相繞組所確定的磁場方向。當A相斷電、B相繞組被通電勵磁時，就產生一個新的磁場方向，這時，轉子就轉動一角度而位於新的磁場方向上，被勵磁相的順序決定了轉子轉動方向。若定子勵磁的變化太快，轉子將不能和定子磁場方向的變化保持一致，轉子即失步。起動頻率和運行頻率較低，是永磁式步進電動機的一個缺點。但永磁式步進電動機消耗功率較小，效率較高。20世紀80年代初，出現了轉子是盤式的永磁碟式步進電動機，使步距角及工作頻率達到磁阻式步進電動機的水平。

　　（2）磁阻式步進電動機。其定、轉子鐵芯的內外表面上設有按一定規律分布的相近齒槽，利用定、轉子鐵芯齒槽相對位置變化引起磁路磁阻的變化，從而產生轉矩。其轉子鐵芯由矽鋼片或軟磁材料做成，當定子某相被勵磁時，轉子將轉到使磁路磁阻最小的位置。當另一相被勵磁，轉子轉到另一位置，使磁路磁阻為最小時，電動機就停止轉動。這時，轉子轉過一個步距角θb，即式中N為轉子轉過一個齒距的運行拍數；ZR為轉子齒數。

　　磁阻式步進電動機結構形式較多。定子鐵芯有單段式、多段式；磁路有徑向、軸向；繞組相數有三相、四相、五相。磁阻式步進電動機步距角可做到1°～15°，甚至更小，精度容易保證，起動與運行頻率較高，但功耗較大，效率較低。

　　（3）混合式步進電動機。它的定、轉子鐵芯結構與磁阻式步進電動機相似。轉子有永磁體在氣隙中產生單極性磁場，此磁場還被轉子上軟磁材料的齒槽調製。

　　混合式步進電動機兼有永磁式步進電動機與磁阻式步進電動機兩者的優點，電動機步距角小，精度高，工作頻率高，且功耗小，效率高。

　　3、直線式步進電動機

　　有反應式和索耶式兩類。索耶式直線步進電動機由靜止部分（稱為反應板）和移動部分（稱動子）組成。反應板由軟磁材料製成，在它上面均勻地開有齒和槽。電機的動子由永久磁鐵和兩個帶線圈的磁極A和B組成。動子是由氣墊支承，以消除在移動時的機械摩擦，使電機運行平穩並提高定位精度。這種電機的最高移動速度可達1.5米/秒，加速度可達2g，定位精度可達20多微米。由兩臺索耶式直線步進電動機相互垂直組裝就構成平面電動機。給x方向和y方向兩臺電機（圖3）以不同組合的控制電流，就可以使電機在平面內做任意幾何軌跡的運動。大型自動繪圖機就是把計算機和平面電動機組合在一起的新型設備。平面電動機也可用於雷射剪裁系統，其控制精度和分辨力可達幾十微米。

　　步進電動機工作原理

　　我們應用圖11.20來說明這種電動機的工作原理。

　　磁阻式步進電動機的定子上裝有多相勵磁繞組，圖11.20中為最常使用的三相繞組步進電動機的示意圖。三相繞組形成6個磁極。轉子由軟磁材料製成，上有4個齒。當A相繞組通電，而B、C相繞組均不通電時，由於磁通力圖走磁阻最小路徑，使磁路磁阻最小，因此產生磁阻轉矩使齒1、3的軸線與定子A相磁極對齊。在下一時刻給B相通電，斷開A相供電將使轉子齒2、4的軸線與B相磁極對齊，轉子因此整體上逆時針旋轉了30°。因此按A-B-C—A…的順序使三個繞組輪流通電將使得轉子逆時針方向連續旋轉。如果按A-C-B-A…的順序通電，轉子將順時針旋轉。由此可得到如下的判斷：

　　（1）步進電動機的旋轉方向取決於繞組通電的順序；

　　（2）電動機的轉速取決於繞組通斷的頻率；

　　（3）繞組的每次通電切換，轉角步進的距離為轉子齒間夾角距的l/m，亦即步距角為齒距的l/m。

　　上述步進電動機模型中每步步距角為30°，很難適應精細控制的要求。實際的電動機採用如圖11. 21的結構。在這種結構中定子磁極的極弧上開有一些均勻分希的小齒，轉子表面也均勻分布著小齒。轉子小齒之間按角度度量的齒距和定子的齒距完全相等。所謂齒距就是相鄰兩齒中心線的夾角，又稱為齒距角DT=360°/Zr 式中DT-齒距； Zr-轉子的齒數。

　　由於開了這些小齒，轉子在繞組切換時的轉動在小於DT的範圍內就能找到一個磁阻最小的位置，這樣就大大減小了步距角，提高了運動的解析度。

　　從圖11. 20的分析中注意到當轉子的齒與某一磁極的齒完全吻合時，對於m相電動機來說，轉子的齒與其他二相磁極的齒必須依次錯開l/m齒距。對於三相電動機來說，當A相通電時，轉子的小齒與B、C兩相磁極上的小齒必須依次錯開DT/3。在這種約束下，轉子的齒數就不能是任意數值，而是必須滿足以下的條件：

　　Zr/2p=K±1/m即Zr=2p（K±1/m）=2pK±2

　　式中K-正整數; p-極對數； m-相數，p=m。

　　混合式步進電動機的工作原理

　　圖中的電動機定子有4個沿圓周均勻分布的齒，線圈繞制在齒上且成對連接。具有不同極性的兩段轉子各有3個齒。圖中以實線表示S段，以虛線表示N段，兩段轉子交錯半個齒距。

　　當繞組中不通電流時，因為轉子中的永磁體總是試圖減少磁路中的磁阻，轉子將趨向有限的若干位置，直至N極和S極轉子上各有一齒與定子磁極對齊。對於圖中的電機來說，這樣的位置有12個。將轉子保持在這些位置上的轉矩通常不大，稱之為維持轉矩。

　　如果如圖11. 28（a）那樣有電流通過一相繞組，在定子上產生的N極和S極將吸引異性轉子段上的齒，在這種情況下，只有和轉子的齒數一樣的3個穩定位置，將轉子從定位位置上拉開的轉矩要大得多，稱為鎖定轉矩。

　　將通電方式由圖（a）切換至圖（b），定子磁場轉過90。，並將吸引另一對齒，結果轉子旋轉了30。，相當於一個整步。在從圖（b）到圖（c）中，勵磁又回到前一繞組，但是電流方向相反，可使轉子再前進一整步。在圖（d）中再使第二相繞組電流反向又可前進一步。這樣轉子就走過了一個齒距。步驟從圖（d）後再回到圖（a），如此反覆，形成電動機的旋轉運動，每轉需要12步。顯然，以相反的順序激勵定子繞組，電動機將反轉。

　　通常定子的小齒以不同於轉子的齒距均勻分布，在齒數較多的電動機中（如圖11. 27），定子和轉子的齒距排列使得只有轉子對面的兩個齒與兩個相距180。的定子齒完全對齊。同時，相距90。機械角處的定轉子齒則完全錯開。對於這樣結構的混合式電動機，可用如下的公式計算其每轉步數N=┃NrNs/（Ns-Nr）┃

　　其中，N為每轉步數；Nr和Ns分別是轉子和定子的齒數。對於圖11.27中的例子，Nr和Ns分別是8和10，則可計算出這種電動機每轉40步，步距角為9。