步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理介紹

二相混合式步進(jìn)電機(jī)是一種混合式電機(jī) [1] 。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(jiàn)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(xiàn)圈能以?xún)蓚€(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(kāi)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)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊，是一類(lèi)高度非線(xiàn)性的機(jī)電裝置。 1986年Hanselman采用磁場(chǎng)的“磁網(wǎng)絡(luò)單元法”來(lái)計(jì)算反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的磁場(chǎng)。1988年，G Heine提出了精確的混合式步進(jìn)電機(jī)的等值磁網(wǎng)絡(luò)模型，首次在模型中考慮了定子極間漏磁通，每極邊緣轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)矩角特性及步距誤差的影響，分析了四相混合式步進(jìn)電機(jī)諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)矩角特性及步距誤差的影響，但是這種模型耗費(fèi)的機(jī)時(shí)量仍然很大 。

為簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)分析， 沿用G.Heine提出的混合式步進(jìn)電機(jī)等值磁網(wǎng)絡(luò)模型，以典型的二相八極混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，忽略鐵心飽和和高次諧波對(duì)電機(jī)磁系統(tǒng)的影響 (鐵心飽和和高次諧波往往是步進(jìn)電機(jī)極限運(yùn)行時(shí)的狀況，正常運(yùn)行時(shí)，不會(huì)對(duì)定性分析的結(jié)論有原則性的影響)，建立了分析細(xì)分驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)化基本數(shù)學(xué)模型。

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組電感參數(shù)的特點(diǎn)與普通電機(jī)有區(qū)別，具有軸向和徑向混合的磁系統(tǒng)，定轉(zhuǎn)子雙凸結(jié)構(gòu)。在二相混合式步進(jìn)電機(jī)磁網(wǎng)絡(luò)模型簡(jiǎn)化磁路圖中，定子八個(gè)極中在直徑上相對(duì)的兩個(gè)極的電磁狀態(tài)完全相同，可以合并。這樣電機(jī)的每一端只有4條支路。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自戴化設(shè)備中。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)私器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)申機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(即步進(jìn)角)?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。

工業(yè)控制中采用的定子磁極上帶有小齒，轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多的結(jié)構(gòu)，其步距角可以做得很小。圖2混合式步進(jìn)電機(jī)繞組接線(xiàn)圖中A,B兩相繞組沿徑向分相，沿著定子圓周有8個(gè)凸出的磁極，1,3,5,7磁極屬于A(yíng)相繞組，2, 4, 6, 8磁極屬于B相繞組，定子侮個(gè)極面上有5個(gè)齒，極身上有控制繞組。轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼和兩段鐵芯組成，環(huán)形磁鋼在轉(zhuǎn)子中部，軸向充磁，兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端，使得轉(zhuǎn)子軸向分為兩個(gè)磁極。轉(zhuǎn)子鐵芯上均勻分布50個(gè)齒，兩段鐵芯上的小齒相互錯(cuò)開(kāi)半個(gè)齒距，定轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬相同 [1] 。

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件，通過(guò)控制施加在電機(jī)線(xiàn)圈上的電脈沖順序、頻率和數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、速度和旋轉(zhuǎn)角度的控制。配合以直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或齒輪箱裝置，更可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜、精密的線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)控制要求。步進(jìn)電機(jī)一般由前后端蓋、軸承、中心軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、定子鐵芯、定子組件、波紋墊圈、螺釘?shù)炔糠謽?gòu)成，步進(jìn)電機(jī)也叫步進(jìn)器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，是由纏繞在電機(jī)定子齒槽上的線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線(xiàn)管，而在電機(jī)中，繞在定子齒槽上的金屬絲則叫做繞組、線(xiàn)圈、或相。

步進(jìn)電機(jī)(stepper motor)是一種是將電脈電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的控制元件。簡(jiǎn)單的說(shuō)，你給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)脈沖電流信號(hào)，它就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，所以具有定位精度高的特點(diǎn)。

普通的直流或交流電機(jī)只要施加合適的電壓就能夠使其轉(zhuǎn)動(dòng)，斷電即可使其停止轉(zhuǎn)動(dòng)，控制起來(lái)雖然很方便，但有些時(shí)候，我們需要很精確地控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，以便實(shí)現(xiàn)一些高精度的定位操作。例如DVD播放器或硬盤(pán)控制讀盤(pán)時(shí)，打印機(jī)控制打字位置時(shí)，監(jiān)控器控制轉(zhuǎn)向時(shí)，數(shù)控機(jī)床進(jìn)行定位時(shí)，機(jī)器人控制動(dòng)作時(shí)等等，普通的電機(jī)很難滿(mǎn)足這種需求，而步機(jī)電機(jī)就可以。從名稱(chēng)也可以看出，步進(jìn)電機(jī)就是“按步前進(jìn)”的電機(jī)，一次只會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，每旋轉(zhuǎn)一次可稱(chēng)為1拍，而每拍旋轉(zhuǎn)的角度可稱(chēng)為步距角。

為了進(jìn)一步理解步進(jìn)電機(jī)的硬件驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，我們先來(lái)了解一下它的基本結(jié)構(gòu)。最簡(jiǎn)單的步進(jìn)電機(jī)如下圖所示

可以看到，步進(jìn)電機(jī)與所有電機(jī)一樣分為定子(stator)與轉(zhuǎn)子(rotor)，在定子周?chē)鶆蚍植嫉凝X槽上纏繞的那些線(xiàn)圈(coil)，我們可以稱(chēng)為繞組或相，這些繞組按對(duì)進(jìn)行排列，其中繞組A與A’形成一對(duì)，繞組B與B’形成一對(duì)。而轉(zhuǎn)子則是一塊能夠繞中心任意旋轉(zhuǎn)的永磁鐵，它有N與S兩極。由于定子上存在兩個(gè)繞組，而轉(zhuǎn)子上存在兩個(gè)磁極，所以我們也可以稱(chēng)其為雙相雙極電機(jī)。繞組注入一定電流時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)，它也有N與S兩極，從不同繞組注入電流就可以改變磁場(chǎng)的極性，從而能夠?qū)τ来盆F轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不同方向的吸力，這是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的基本原理。

下面我們具體來(lái)看看轉(zhuǎn)子是怎么旋轉(zhuǎn)的。假設(shè)電流從繞組A注入再?gòu)睦@組A’流出，則兩個(gè)繞組都會(huì)產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)。根據(jù)右手定則，線(xiàn)圈A與線(xiàn)圈A’產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向均為上N下S，再根據(jù)“同名相斥、異名相吸”的基本原理，永磁鐵的N極會(huì)被繞組A產(chǎn)生的磁場(chǎng)S極吸過(guò)來(lái)，與此同時(shí)，永磁鐵的S極會(huì)被繞組A’產(chǎn)生的磁場(chǎng)N極吸過(guò)來(lái)，它們的吸力是同時(shí)產(chǎn)生的，也就引起轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90o，如下圖所示(以轉(zhuǎn)子中紅色N極為參考基準(zhǔn))

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上只需要四個(gè)電子開(kāi)關(guān)。在雙極性驅(qū)動(dòng)模式下，因?yàn)槊肯嗟睦@組線(xiàn)圈為100%勵(lì)磁，所以雙極性驅(qū)動(dòng)模式下電機(jī)的輸出力矩比單極性驅(qū)動(dòng)模式下提高了約40%。

步進(jìn)電機(jī)的特性

1、 精準(zhǔn)的位置控制

依照輸入脈沖的數(shù)量，確定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。位置誤差非常小(小于1/10度)，且不累積。

2、精確的轉(zhuǎn)速

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入電脈沖的頻率，可以實(shí)現(xiàn)精確控制和方便調(diào)節(jié)。因此被廣泛地應(yīng)用于各種運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。

3、 正向/反向轉(zhuǎn)動(dòng)，急停及鎖定功能

在整個(gè)速度范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)力矩和位置的有效控制，包括靜力矩。在電機(jī)鎖定狀態(tài)下(電機(jī)繞組中存在電流，而外部沒(méi)有旋轉(zhuǎn)的脈沖指令輸入)，仍然保持一定的力矩輸出。

4、 低轉(zhuǎn)速條件下的精準(zhǔn)位置控制

步進(jìn)電機(jī)不需要借助齒輪箱的調(diào)節(jié)，就可以在非常低的轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)輸出較大的力矩，避免了功率的損耗和角度位置偏差，同時(shí)降低了成本，節(jié)省了空間。

5、 更長(zhǎng)的使用壽命

步進(jìn)電機(jī)的無(wú)電刷設(shè)計(jì)保證了電機(jī)的使用壽命很長(zhǎng)。步進(jìn)電機(jī)的壽命通常取決于軸承。

振動(dòng)與噪音

一般來(lái)講，步進(jìn)電機(jī)在空載運(yùn)行情況下，當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行頻率接近或等于電機(jī)轉(zhuǎn)子的固有頻率時(shí)會(huì)發(fā)生共振， 嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生失步現(xiàn)象。