步進電動機原理(步進電動機工作原理和驅動方法)

1、步進電動機的工作原理

圖1三相無功步進電機的結構示意圖

1——定子2——轉子3——定子繞組{{page}}

圖1是最常見的三相無功步進電動機的示意性剖視圖。電動機的定子中有6個均勻分布的磁極，夾角為60o。每個極都覆蓋有一個線圈，并按照圖1連接形成A，B和C三相繞組。轉子中均勻分布有40個小齒。因此，每個齒的齒距為θE=360o/40=9°，并且在定子的每個極的極弧中有5個小齒，并且定子和轉子的齒距和齒寬相同。由于定子和轉子的小齒數分別為30和40，因此該比率是分數，導致所謂的齒數偏差。如圖1所示，當A相極的小齒與轉子的小齒對齊時，B相和C相的極齒與轉子的齒偏移一個。這是一個3度的音高。因此，B極和C極下的磁阻大于A極下的磁阻。當B相通電時，B相繞組會產生定子磁場，并且磁場線會穿過B相磁極，并嘗試以最小的阻力沿路徑閉合，從而使轉子隨動旋轉。磁極B的齒與轉子的齒對齊，反作用轉矩（磁阻轉矩）直到轉子旋轉3o為止，磁極A和C下的齒偏離轉子齒。間距的1/3。然后停止B相繞組的通電，并轉換為C相繞組。同樣，轉子在反作用轉矩的作用下順時針旋轉3o。同樣，當三相繞組按A→B→C→A的順序通電時，轉子順時針旋轉，每個傳導脈沖以規則的步長旋轉3o。當改變通電順序并按A→C→B→A的順序循環通電時，轉子將逆時針旋轉，同時每個通電脈沖有規律地旋轉3o。 之所以稱為單3位工作模式，是因為一次只給單相繞組通電，然后根據這三種通電狀態周期性地通電。在單次3位操作中，步距角θb為30°。三相步進電動機還具有兩種通電模式。即，按照AB→BC→CA→AB的順序進行通電，即A→AB的單雙6位運算。 →B→BC→C→CA→A是定期供電的方法。以6拍運行可將步距角減半。響應式步進電機的步距角可以如下計算。

θb=360o/NEr（1）

公式中的Er——轉子齒數

N——跑步節拍，N=km，m是步進電機的繞組相數，k=1或2。

2、步進電動機的驅動方法

步進電機不能直接連接到工頻交流或直流電源，但需要使用專用的步進電機驅動器，如圖2所示，它由脈沖發生控制裝置，電源驅動器組成。單元，保護單元等在圖中，用虛線包圍的兩個設備可以由微型計算機控制。驅動單元直接連接到步進電動機，并且也可以理解為此處簡要介紹的步進電動機微計算機控制器的電源接口。

圖2步進電機驅動控制器

1.?單電壓功率驅動接口

實際電路如圖3所示。電動機繞組電路具有電阻器Rs，以減小電動機電路的時間常數。電動機可以在高頻下產生更大的電磁轉矩，并且可以減輕電動機的低頻共振，但是這是另外發生的。傷亡。通常，在簡單的單電壓驅動電路中Rs是必不可少的。步進電機單步響應的Rs改善如圖3（b）所示。 {{Paging}}

圖3單電壓電源驅動器界面和單步響應曲線

圖4雙電壓電源驅動器接口

2.雙電壓功率驅動接口

雙電壓驅動器的電源接口如圖4所示。雙電壓驅動的基本概念是在低（低頻段）以低壓UL進行驅動，而在高速（高頻段）以較高電壓UH進行驅動。這種電源接口需要兩個控制信號。 Uh是高壓有效控制信號，U是脈沖寬度調制驅動控制信號。在圖中，功率管TH和二極管DL構成功率轉換電路。當Uh為低時，TH截止，DL為正偏置，低壓UL為繞組供電。相反，當Uh處于高電平時，TH導通，DL反向偏置，并且高壓UH為繞組供電。這種電路可以使電動機在高頻范圍內具有更大的輸出，并在停止靜態鎖定時降低了功耗。

3.高低壓功率驅動接口

圖5高壓和低壓電源驅動器接口

高壓和低壓電源驅動器接口如圖5所示。高壓和低壓驅動器的設計思想是使用高壓UH電源來增加導電相繞組的電流前沿，而與電動機的工作頻率無關，并且在該前沿之后，使用一個低電壓UL保持繞組電流。這種效果還改善了驅動器的高頻性能，并消除了額外的損耗，因為不需要將電阻器R串聯連接。高壓和低壓驅動器電源接口還具有兩個輸入控制信號Uh和Ul，必須保持同步（如圖5所示），并且前沿同時跳躍。在圖中，高壓管VTH的導通時間t1不能太大或太小。如果太大，電動機電流將過載，如果太小，動態性能將不會得到很大改善。通常，它可以是1到3毫秒。 （當該值等于電動機的電氣時間常數時更合適。）{{Paging}}

4.斬波恒流功率驅動接口

恒定電流驅動器的設計思想是將導電相繞組中的電流保持在固定值，而與鎖定，低頻或高頻操作無關。確保電動機具有恒定的轉矩輸出特性。這是一種電源接口，您可以更經常使用它并獲得更好的效果。圖6是斬波器恒流電源接口的示意圖。在圖中，R是用于電流采樣的小型電阻器，稱為采樣電阻器。如果電流不大，則由工作脈沖同時控制VT1和VT2，并且當電流超過給定的恒定電流值時，VT2將被切斷，電源U將被切斷。由于電動機繞組具有較大的電感，因此二極管VD續流以保持繞組電流，電動機通過消耗電感的磁場能量來發電。此時，電流根據指數曲線減小，并且相同的電流采樣值減小。當電流小于恒定電流值時，VT2接通，電源再次接通。重復地，電動機繞組電流穩定在由給定水平確定的值，從而形成小的鋸齒波，如圖6所示。

圖6切斷恒流電源驅動器界面

斬波器恒流電源驅動接口具有兩個輸入控制信號，其中u1是數字脈沖，u2是模擬信號。該電源接口的特點是高頻響應大大改善，輸出特性接近恒定轉矩，消除了諧振現象，但電路更加復雜。相應的集成電源模塊當前可用。

5.升頻升壓功率驅動接口

為了進一步改善驅動系統的高頻響應，可以使用高頻升壓電源驅動器接口。在此接口處提供給繞組的電壓與電動機的工作頻率成線性關系。主回路實際上是一個開關穩定電源，它使用變頻器將驅動脈沖的頻率轉換為DC電平，DC使用該電平來控制組成該頻率的開關穩定電源的輸入。反饋電源驅動器接口。

6.集成功率驅動接口

當前，您可以從用于低功率步進電機的各種集成功率驅動接口電路中進行選擇。

L298芯片被設計為接受標準的TTL邏輯電平信號，并且是一種H橋驅動器，可用于驅動感性負載。 H橋可以承受46V的電壓和高達2.5A的相電流。 L298的邏輯電路（或XQ298，SGS298）使用5V電源，功率放大器級使用5至46V電壓。下部的橋式發射極都單獨繪制以訪問電流采樣電阻。 L298等采用工業級15引腳雙列直插小瓦封裝。內部結構如圖7所示。 H橋驅動器的主要特征是它可以在正向和負向兩個方向上向電動機繞組供電。 L298特別適合于驅動兩相或四相步進電動機。 {{Paging}}

圖7 L298框圖

類似于L298的電路是TER Company的3717，這是一個單H橋電路。 SGS的SG3635是單橋臂電路，IR的IR2130是三相橋電路，Allegro擁有A2916，A3953和其他低功耗驅動器模塊。

圖8是具有恒定電流斬波功能的步進電機驅動系統，使用L297（專用于環形分配器的芯片）和L298。

圖8由專用芯片組成的步進電驅動系統