双极性步进电机的基本组件有哪些

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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)。

步进电机

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。

步进电机

图3: 转子结构示意图

图 4 展示了转子的侧面截面图。

步进电机

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

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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)。

表1: 步进模式表

步进模式 通电顺序 电气角位置
单相步进 $A > B >上线{A} >上线{B}美元 8美元 > 2美元 > 2美元 > 4美元 > 6美元
整步步进 $AB >上线{A}B >上线{AB} >A上线{B}$ 1美元 > 3美元 > 5美元 > 7美元
半步步进 $AB > B > > 上线{A} B >上线{A} >上线{A} >上线{A} >上线{AB} >上线{B} >A上线{B} >A上线{B} >A$ 1美元 > 2美元 > 2 > 2美元 > 3 > 3 > 4 > 4 > 5 > 5 > 5 > 6 > 6 > 7 > 7 > 8美元

 

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。在下一篇文章中,我们将讨论双全桥驱动的微步进模式。

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        审核编辑:彭菁

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