步進(jìn)電動(dòng)機(jī)概述
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的離散值控制電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖就動(dòng)一步，所以又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源由變頻脈沖信號(hào)源、脈沖分配器及脈沖放大器組成，由此驅(qū)動(dòng)電源向電機(jī)繞組提供脈沖電流。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能決定于電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電源間的良好配合。
步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是沒有累積誤差，結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便，制造成本低，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載慣量的能力大，適用于中小型機(jī)床和速度精度要求不高的地方，缺點(diǎn)是效率較低，發(fā)熱大，有時(shí)會(huì)“失步”。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為什么需要驅(qū)動(dòng)電路才能工作
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類
1、機(jī)電式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
機(jī)電式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由鐵心、線圈、齒輪機(jī)構(gòu)等組成。螺線管線圈通電時(shí)將產(chǎn)生磁力，推動(dòng)其鐵心心子運(yùn)動(dòng)，通過齒輪機(jī)構(gòu)使輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一角度，通過抗旋轉(zhuǎn)齒輪使輸出轉(zhuǎn)軸保持在新的工作位置；線圈再通電，轉(zhuǎn)軸又轉(zhuǎn)動(dòng)一角度，依次進(jìn)行步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
2、磁電式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
磁電式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛。主要有永磁式、磁阻式和混合式。
?。?）永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其轉(zhuǎn)子有永磁體的磁極，在氣隙中產(chǎn)生極性交替磁場(chǎng)，定子由四相繞組組成（見圖）。當(dāng)A相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)向該相繞組所確定的磁場(chǎng)方向。當(dāng)A相斷電、B相繞組被通電勵(lì)磁時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)新的磁場(chǎng)方向，這時(shí)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一角度而位于新的磁場(chǎng)方向上，被勵(lì)磁相的順序決定了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向。若定子勵(lì)磁的變化太快，轉(zhuǎn)子將不能和定子磁場(chǎng)方向的變化保持一致，轉(zhuǎn)子即失步。起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率較低，是永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)缺點(diǎn)。但永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)消耗功率較小，效率較高。20世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子是盤式的永磁盤式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，使步距角及工作頻率達(dá)到磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的水平。
?。?）磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其定、轉(zhuǎn)子鐵芯的內(nèi)外表面上設(shè)有按一定規(guī)律分布的相近齒槽，利用定、轉(zhuǎn)子鐵芯齒槽相對(duì)位置變化引起磁路磁阻的變化，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片或軟磁材料做成，當(dāng)定子某相被勵(lì)磁時(shí)，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到使磁路磁阻最小的位置。當(dāng)另一相被勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到另一位置，使磁路磁阻為最小時(shí)，電動(dòng)機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角θb，即式中N為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距的運(yùn)行拍數(shù)；ZR為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。
磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)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(shù)有三相、四相、五相。磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角可做到1°～15°，甚至更小，精度容易保證，起動(dòng)與運(yùn)行頻率較高，但功耗較大，效率較低。
（3）混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。它的定、轉(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)與磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似。轉(zhuǎn)子有永磁體在氣隙中產(chǎn)生單極性磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)還被轉(zhuǎn)子上軟磁材料的齒槽調(diào)制。
混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兼有永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)
有反應(yīng)式和索耶式兩類。索耶式直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止部分（稱為反應(yīng)板）和移動(dòng)部分（稱動(dòng)子）組成。反應(yīng)板由軟磁材料制成，在它上面均勻地開有齒和槽。電機(jī)的動(dòng)子由永久磁鐵和兩個(gè)帶線圈的磁極A和B組成。動(dòng)子是由氣墊支承，以消除在移動(dòng)時(shí)的機(jī)械摩擦，使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)并提高定位精度。這種電機(jī)的最高移動(dòng)速度可達(dá)1.5米/秒，加速度可達(dá)2g，定位精度可達(dá)20多微米。由兩臺(tái)索耶式直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相互垂直組裝就構(gòu)成平面電動(dòng)機(jī)。給x方向和y方向兩臺(tái)電機(jī)（圖3）以不同組合的控制電流，就可以使電機(jī)在平面內(nèi)做任意幾何軌跡的運(yùn)動(dòng)。大型自動(dòng)繪圖機(jī)就是把計(jì)算機(jī)和平面電動(dòng)機(jī)組合在一起的新型設(shè)備。平面電動(dòng)機(jī)也可用于激光剪裁系統(tǒng)，其控制精度和分辨力可達(dá)幾十微米。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理
我們應(yīng)用圖11.20來說明這種電動(dòng)機(jī)的工作原理。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為什么需要驅(qū)動(dòng)電路才能工作
磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子上裝有多相勵(lì)磁繞組，圖11.20中為最常使用的三相繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的示意圖。三相繞組形成6個(gè)磁極。轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成，上有4個(gè)齒。當(dāng)A相繞組通電，而B、C相繞組均不通電時(shí)，由于磁通力圖走磁阻最小路徑，使磁路磁阻最小，因此產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩使齒1、3的軸線與定子A相磁極對(duì)齊。在下一時(shí)刻給B相通電，斷開A相供電將使轉(zhuǎn)子齒2、4的軸線與B相磁極對(duì)齊，轉(zhuǎn)子因此整體上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了30°。因此按A-B-C—A…的順序使三個(gè)繞組輪流通電將使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。如果按A-C-B-A…的順序通電，轉(zhuǎn)子將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由此可得到如下的判斷：
?。?）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向取決于繞組通電的順序；
?。?）電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于繞組通斷的頻率；
（3）繞組的每次通電切換，轉(zhuǎn)角步進(jìn)的距離為轉(zhuǎn)子齒間夾角距的l/m，亦即步距角為齒距的l/m。
上述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模型中每步步距角為30°，很難適應(yīng)精細(xì)控制的要求。實(shí)際的電動(dòng)機(jī)采用如圖11. 21的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中定子磁極的極弧上開有一些均勻分希的小齒，轉(zhuǎn)子表面也均勻分布著小齒。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的齒數(shù)。
由于開了這些小齒，轉(zhuǎn)子在繞組切換時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)在小于DT的范圍內(nèi)就能找到一個(gè)磁阻最小的位置，這樣就大大減小了步距角，提高了運(yùn)動(dòng)的分辨率。
從圖11. 20的分析中注意到當(dāng)轉(zhuǎn)子的齒與某一磁極的齒完全吻合時(shí)，對(duì)于m相電動(dòng)機(jī)來說，轉(zhuǎn)子的齒與其他二相磁極的齒必須依次錯(cuò)開l/m齒距。對(duì)于三相電動(dòng)機(jī)來說，當(dāng)A相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的小齒與B、C兩相磁極上的小齒必須依次錯(cuò)開DT/3。在這種約束下，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)就不能是任意數(shù)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(shù); p-極對(duì)數(shù)； m-相數(shù)，p=m。
混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理
圖中的電動(dòng)機(jī)定子有4個(gè)沿圓周均勻分布的齒，線圈繞制在齒上且成對(duì)連接。具有不同極性的兩段轉(zhuǎn)子各有3個(gè)齒。圖中以實(shí)線表示S段，以虛線表示N段，兩段轉(zhuǎn)子交錯(cuò)半個(gè)齒距。
當(dāng)繞組中不通電流時(shí)，因?yàn)檗D(zhuǎn)子中的永磁體總是試圖減少磁路中的磁阻，轉(zhuǎn)子將趨向有限的若干位置，直至N極和S極轉(zhuǎn)子上各有一齒與定子磁極對(duì)齊。對(duì)于圖中的電機(jī)來說，這樣的位置有12個(gè)。將轉(zhuǎn)子保持在這些位置上的轉(zhuǎn)矩通常不大，稱之為維持轉(zhuǎn)矩。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為什么需要驅(qū)動(dòng)電路才能工作
如果如圖11. 28（a）那樣有電流通過一相繞組，在定子上產(chǎn)生的N極和S極將吸引異性轉(zhuǎn)子段上的齒，在這種情況下，只有和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)一樣的3個(gè)穩(wěn)定位置，將轉(zhuǎn)子從定位位置上拉開的轉(zhuǎn)矩要大得多，稱為鎖定轉(zhuǎn)矩。
將通電方式由圖（a）切換至圖（b），定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過90。，并將吸引另一對(duì)齒，結(jié)果轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了30。，相當(dāng)于一個(gè)整步。在從圖（b）到圖（c）中，勵(lì)磁又回到前一繞組，但是電流方向相反，可使轉(zhuǎn)子再前進(jìn)一整步。在圖（d）中再使第二相繞組電流反向又可前進(jìn)一步。這樣轉(zhuǎn)子就走過了一個(gè)齒距。步驟從圖（d）后再回到圖（a），如此反復(fù)，形成電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)需要12步。顯然，以相反的順序激勵(lì)定子繞組，電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。
通常定子的小齒以不同于轉(zhuǎn)子的齒距均勻分布，在齒數(shù)較多的電動(dòng)機(jī)中（如圖11. 27），定子和轉(zhuǎn)子的齒距排列使得只有轉(zhuǎn)子對(duì)面的兩個(gè)齒與兩個(gè)相距180。的定子齒完全對(duì)齊。同時(shí)，相距90。機(jī)械角處的定轉(zhuǎn)子齒則完全錯(cuò)開。對(duì)于這樣結(jié)構(gòu)的混合式電動(dòng)機(jī)，可用如下的公式計(jì)算其每轉(zhuǎn)步數(shù)N=┃NrNs/（Ns-Nr）┃
其中，N為每轉(zhuǎn)步數(shù)；Nr和Ns分別是轉(zhuǎn)子和定子的齒數(shù)。對(duì)于圖11.27中的例子，Nr和Ns分別是8和10，則可計(jì)算出這種電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)40步，步距角為9。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為什么需要驅(qū)動(dòng)電路才能工作
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是為了精確位移設(shè)計(jì)的，為了達(dá)到較高精度效率必然偏低電流大，不是直流電機(jī)加電就可運(yùn)行。且步進(jìn)電機(jī)是靠單片子產(chǎn)生脈沖來控制轉(zhuǎn)矩的，單片機(jī)本身驅(qū)動(dòng)電流較小，驅(qū)動(dòng)不了電機(jī)繞組，要用驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生較大電流，直接驅(qū)動(dòng)會(huì)燒壞單片機(jī)。