兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理及設(shè)計(jì)

二相混合式步進(jìn)電機(jī)是一種混合式電機(jī) 。二相混合式步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。常見的定子有8個(gè)極或4個(gè)極，極面上均勻分布一定數(shù)量的小齒;極上線圈能以兩個(gè)方向通電。它的轉(zhuǎn)子也由圓周上均布一定數(shù)量小齒的兩塊齒片等組成。這兩塊齒片相互錯(cuò)開半個(gè)齒距。兩塊齒片中間夾有一只軸向充磁的環(huán)形永久磁鋼。顯然，同一段轉(zhuǎn)子片上的所有齒都具有相同極性，而兩塊不同段的轉(zhuǎn)子片的極性相反。

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)，又稱為脈沖電機(jī)。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，它就可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”。

步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)可以通過控制脈沖頻率，來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)多用于數(shù)字式計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備，以及打印機(jī)、繪圖機(jī)和磁盤等裝置。步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)的位置和速度信號(hào)不反饋給控制系統(tǒng)，如果電機(jī)工作時(shí)的位置和速度信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，那么它就屬于伺服電機(jī)。相對(duì)于伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的控制相對(duì)簡(jiǎn)單，但不適用于精度要求較高的場(chǎng)合。

混合式步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。常見的定子有8個(gè)極或4個(gè)極，極面上均勻分布一定數(shù)量的小齒;極上線圈能以兩個(gè)方向通電，形成A相和萬相，B相和B相。它的轉(zhuǎn)子也由圓周上均布一定數(shù)量小齒的兩塊齒片等組成。這兩塊齒片相互錯(cuò)開半個(gè)齒距。兩塊齒片中間夾有一只軸向充磁的環(huán)形永久磁鋼。顯然，同一段轉(zhuǎn)子片上的所有齒都具有相同極性，而兩塊不同段的轉(zhuǎn)子片的極性相反。混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖3-1.圖3-2是四相混合式步進(jìn)電機(jī)以圓周展開的剖面模型。圖3-2上圖是轉(zhuǎn)子S極所出的剖面圖，圖3-2下圖是N極剖面圖。圖3-2中，定子齒距和轉(zhuǎn)子齒距相同。先考慮磁極I和磁極IB下面的磁場(chǎng)。定子線圈通電后，磁極I產(chǎn)生N極，磁極m產(chǎn)生S極 。

因?yàn)镹極這段的轉(zhuǎn)子齒和S極轉(zhuǎn)子齒相互錯(cuò)開半個(gè)齒距，所以，僅靠定子電流磁場(chǎng)并不能向磁阻式電機(jī)那樣產(chǎn)生有意義的轉(zhuǎn)矩。但是，把永久磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加上去，情況就不一樣了。因?yàn)榇艠OI下面的兩冷磁場(chǎng)相互增強(qiáng)，因此產(chǎn)生向左的驅(qū)動(dòng)力;而磁極m下面的兩個(gè)分量相互抵消，向右的力大大削弱。再看圖3-2下圖，磁極m下面的定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向相同，磁極I下面的磁場(chǎng)方向相反，最終得到向左的合力。轉(zhuǎn)子在驅(qū)動(dòng)力的作用下將轉(zhuǎn)過工齒距，驅(qū)動(dòng)力降為零，達(dá)到平衡位置。如果切斷磁極I、III的激磁，同時(shí)向磁極II , IV上的線圈通入電流，分別產(chǎn)生S極和N極。轉(zhuǎn)子將向左再走一步。按照特定的時(shí)序激磁，如A-B -A -B-A-"'，電機(jī)就能沿逆時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。改變激磁時(shí)序，以A-B-A-B-A-…激磁，電機(jī)將沿順時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

在驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)，需要進(jìn)行Decay(電流衰減)控制。

Decay是一種在關(guān)斷對(duì)電機(jī)的電源供給時(shí)使電流衰減的方法，有Slow Decay(慢速衰減)和Fast Decay(快速衰減)兩種基本方法。

以下是上一篇中給出的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形中的一部分。輸出電壓OUT是PWM信號(hào)，因此輸出電流是與PWM信號(hào)聯(lián)動(dòng)ON/OFF的平均電流。由于驅(qū)動(dòng)的是線圈，所以輸出電流的波形是鋸齒波，而不是PWM電壓輸出的方波。下圖是輸出電流的放大波形。

藍(lán)色波形是Slow Decay時(shí)的波形，由于衰減的斜率小，故電流衰減速度慢，PWM關(guān)斷期間的電流衰減也較慢。因此，在導(dǎo)通時(shí)達(dá)到設(shè)定電流值的時(shí)間也縮短了。

紅色是Fast Decay時(shí)的波形，由于斜率較大，因此電流衰減速度快，衰減量也很大，也因此在導(dǎo)通時(shí)需要花一些時(shí)間才能達(dá)到設(shè)定的電流值，周期比Slow Decay要慢。

Slow Decay和Fast Decay：方法的差異

可以通過切換電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出H橋來選擇衰減方法。

圖中的線圈表示步進(jìn)電機(jī)的線圈A和線圈B的一個(gè)線圈。這里省略了不在H橋四個(gè)開關(guān)的內(nèi)部電流路徑中的開關(guān)。

在Slow Decay(a)中，Q1和Q4處于導(dǎo)通狀態(tài)。在(b)和(c)中，Q4導(dǎo)通，Q2導(dǎo)通和關(guān)斷。盡管開關(guān)的狀態(tài)不同，但由于再生電流也會(huì)經(jīng)由寄生二極管流向關(guān)斷的Q2的MOSFET，因此無論在哪種情況下，電流都以相同的方式流過。再生電流則僅是線圈中蓄積的電流流動(dòng)。

(D)Fast Decay的(d)處于導(dǎo)通狀態(tài)，與Slow Decay的狀態(tài)相同。在(e)中，Q2和Q3導(dǎo)通;在(f)中，所有的MOSFET均關(guān)斷，再生電流流經(jīng)導(dǎo)通的Q2和Q3，也會(huì)經(jīng)由寄生二極管流過關(guān)斷的Q2和Q3，因此在這兩種情況下電流都以相同的方式流過。電流會(huì)流向電源，但由于電源電壓試圖使電流沿相反方向流動(dòng)，所以電流的衰減加快。

可以根據(jù)以哪種狀態(tài)控制關(guān)斷來區(qū)分使用“Slow Decay”和“Fast Decay”。

衰減方法的差異與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)系

與Fast Decay相比，Slow Decay的電流紋波更小，因此噪聲更小。另外，由于平均電流增加，所以可以增加產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。但其缺點(diǎn)是如果脈沖頻率變快，波形會(huì)失真，電機(jī)無法正常旋轉(zhuǎn)。

相反，F(xiàn)ast Decay在噪聲和轉(zhuǎn)矩方面雖然遜色，但對(duì)于高速脈沖頻率，則比Slow Decay更具優(yōu)勢(shì)。

什么是Mix Decay(混合衰減)?

衰減方法基本上是Slow Decay和Fast Decay，不過還有一種將它們結(jié)合起來并充分利用兩者優(yōu)點(diǎn)的方法，即Mix Decay。

Mix Decay是以Fast Decay開始衰減，然后是Slow Decay。這使得電流衰減比Slow Decay快，而電流紋波比Fast Decay小。這不僅可以維持大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)還支持高速脈沖率。某些驅(qū)動(dòng)器IC可以調(diào)整Slow和Fast的時(shí)間比，可優(yōu)化電流波形。