步进电机的结构和三种控制模式

时间:2024-01-26来源:

在如今这个智能时代,步进电机因其特有的开环位置控制性能而被广泛应用。各设备在步进电机转动的过程中,对它输出力矩的平滑性有一定的要求。转动的稳定性除了和步进电机的本体结构有关,也和步进电机的控制方式息息相关。

本文将介绍双极性步进电机及其结构和控制模式。

双极性步进电机的基本组件

步进电机属于无刷直流(BLDC)电机,它按照等长的步进值逐步转动。而双极性步进电机则是每相都拥有一个绕组的步进电机,具体而言是两相四线步进电机。它由定子和转子两个主要部件组成(见图1)。

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图1:双极性步进电机的结构示意图

定子

定子是电机的静止部分。8个定子上分别绕有两相双极性绕组,每个定子铁芯上带有五齿(见图1)。

A相绕组绕线从定子1开始绕,依次绕到定子3、5、7上(见图2)。值得注意的是,定子1和5的绕线方向相同,而定子3和7的绕线方向相同。这两组(定子1和5,以及定子3和7)的绕线方向相反。B相绕组也是以同样的原理进行绕制,其中定子4和8为一组,定子2和6为一组。

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图2:双极性步进电机的绕组原理图

转子

通常转子上贴有轴向充磁的永磁体。图3所示为转子的结构。

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图3:转子结构示意图

图4展示了转子的侧面截面图。

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图4:转子侧面截面图

永磁体的磁力线在电机本体内形成闭合。由于磁力线和磁阻效应,即使步进电机在不通电的情况下也有一定的锁定力矩(见图4)。

转子上拥有50个齿,和定子齿轮相对起来,由于这样的齿数和相数结构,它拥有1.8度的步进角度(见图5)。步进角度:电气周期完成90度,步进电机转子前进的机械角度。

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图5:1.8°步进角度结构示意图

步进模式

为了方便讲解后续的控制方式,我们将复杂的结构图简化为示意图(见图6)。

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图6:双极性步进电机简化示意图

步进电机的定子和转子可以被看作都只有一个齿,这使步进电机的驱动方式不同于其他电机。这种方法叫做双全桥驱动,其中A相绕组接在第一个全桥驱动上, B相绕组接在第二个全桥驱动上(见图7)。

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图7:双全桥驱动电路图

双极性步进电机具有三种控制模式:单相步进、整步步进和半步步进(见表1)。

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表1:步进模式表

单相步进

当A相和B相按照单相步进的模式依次通电的时候,定子磁场会相应地发生变化,转子也会由于极性吸引而转动。表1中详细描述了A相和B相(AB)的通电顺序和转子的转动位置。

单相步进过程具体包括三个步骤,如下所述:

· 当A通电的时候,驱动电流由Q1流向Q4。此时定子A上端为N,下端在S,转子转到位置8(见图6)。

· 接下来,B相通电,驱动电流由Q5流向Q8。此时定子B左端为S,右端为N,转子转到位置2(见图6)。

· 接下来两个状态原理和上面类似,循环这一通电顺序,转子就开始转动起来。

图8显示了单相步进AB相的电流波形。

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图8:单相步进AB相电流波形图

整步步进

与单相步进不同的是,整步步进式AB绕组会同时进行通电。另外还有四个对应的通电方式和转子电气位置,只是其位置空间在电气空间上不同于单相步进。根据整部的通电顺序,转子也能转动起来。图9显示了AB相的整步电流波形。

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图9:整步步进AB相电流波形图

半步步进

半步模式将单相步进和整步步进这两种控制方式进行融合,它的电气角度位置更多,电流波形更加细致,转动更加平滑。

图10显示了单相到两相操作的非循环半步模式。这种模式在整步和半步之间交替生成8步序列。

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图10:非循环半步模式

结语

本文回顾了双极性步进电机的基本组件(定子和转子),以及三种主要的控制模式:单相步进、整步步进和半步步进。

关键词: 步进电机

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