看完這篇秒懂！步進(jìn)電機知識
發(fā)布人：xiaomaidashu
時(shí)間：2023-11-06
來(lái)源：工程師
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實(shí)際上，并非所有步進(jìn)電機都具有相同的內部結構（或構造），因為不同電機的轉子和定子配置都不同。
轉子
步進(jìn)電機基本上有三種類(lèi)型的轉子：- 永磁轉子：轉子為永磁體，與定子電路產(chǎn)生的磁場(chǎng)對齊。這種轉子可以保證良好的扭矩，并具有制動(dòng)扭矩。這意味著(zhù)，無(wú)論線(xiàn)圈是否通電，電機都能抵抗（即使不是很強烈）位置的變化。但與其他轉子類(lèi)型相比，其缺點(diǎn)是速度和分辨率都較低。圖3顯示了永磁步進(jìn)電機的截面圖。
- 可變磁阻轉子：轉子由鐵芯制成，其形狀特殊，可以與磁場(chǎng)對齊（請參見(jiàn)圖1和圖2）。這種轉子更容易實(shí)現高速度和高分辨率，但它產(chǎn)生的扭矩通常較低，并且沒(méi)有制動(dòng)扭矩。
- 混合式轉子：這種轉子具有特殊的結構，它是永磁體和可變磁阻轉子的混合體。其轉子上有兩個(gè)軸向磁化的磁帽，并且磁帽上有交替的小齒。這種配置使電機同時(shí)具有永磁體和可變磁阻轉子的優(yōu)勢，尤其是具有高分辨率、高速度和大扭矩。當然更高的性能要求意味著(zhù)更復雜的結構和更高的成本。
- 圖3顯示了這種電機結構的簡(jiǎn)化示意圖。線(xiàn)圈A通電后，轉子N磁帽的一個(gè)小齒與磁化為S的定子齒對齊。與此同時(shí)，由于轉子的結構，轉子S磁帽與磁化為N的定子齒對齊。盡管步進(jìn)電機的工作原理是相同的，但實(shí)際電機的結構更復雜，齒數要比圖中所示的更多。大量的齒數可以使電機獲得極小的步進(jìn)角度，小至0.9°。
晶體管橋：從物理上控制電機線(xiàn)圈電氣連接的設備。晶體管可以看作是電控斷路器，它閉合時(shí)線(xiàn)圈連接到電源，線(xiàn)圈中才有電流通過(guò)。每個(gè)電機相位都需要一個(gè)晶體管電橋。
預驅動(dòng)器：控制晶體管激活的設備，它由MCU控制以提供所需的電壓和電流。MCU：通常由電機用戶(hù)編程控制的微控制器單元，它為預驅動(dòng)器生成特定信號以獲得所需的電機行為。
- Step/Direction （步進(jìn)/方向） –在Step引腳上發(fā)送一個(gè)脈沖，驅動(dòng)器即改變其輸出使電機執行一次步進(jìn)，轉動(dòng)方向則由Direction引腳上的電平來(lái)決定。
- Phase/Enable（相位/使能） –對每相的定子繞組來(lái)說(shuō)，Enable決定該相是否通電， Phase決定該相電流方向，。
- PWM – 直接控制上下管FET的柵極信號。
- 擁有電壓控制功能，驅動(dòng)器可以調節繞組上的電壓，產(chǎn)生的扭矩和步進(jìn)速度僅取決于電機和負載特性。
- 電流控制驅動(dòng)器更加先進(jìn)，因為它們可以調節流經(jīng)有源線(xiàn)圈的電流，更好地控制產(chǎn)生的扭矩，從而更好地控制整個(gè)系統的動(dòng)態(tài)行為。
如果MOSFET 1導通，則電流從AM流向A +。如果MOSFET 2導通，則電流從AM流向A-，在相反方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)。如上所述，這種方法可以簡(jiǎn)化驅動(dòng)電路（僅需要兩個(gè)半導體），但缺點(diǎn)是一次僅使用了電機中銅導體的一半，這意味著(zhù)如果線(xiàn)圈中流過(guò)相同的電流 ，則磁場(chǎng)強度僅為使用全部銅導體時(shí)的一半。另外，由于電機輸入引線(xiàn)更多，這類(lèi)電機較難構造。
- 波動(dòng)模式：一次僅一個(gè)相位通電（見(jiàn)圖11）。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，如果電流從某相的正引線(xiàn)流向負引線(xiàn)（例如，從A +到A-），則我們稱(chēng)為正向流動(dòng)；否則，稱(chēng)為負向流動(dòng)。從下圖左側開(kāi)始，電流僅在A(yíng)相中正向流動(dòng)，而用磁體代表的轉子與其所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對齊。接著(zhù)，電流僅在B相中正向流動(dòng)，轉子順時(shí)針旋轉90°以與B相產(chǎn)生的磁場(chǎng)對齊。隨后，A相再次通電，但電流負向流動(dòng) ，轉子再次旋轉90°。最后，電流在B相中負向流動(dòng)，而轉子再次旋轉90°。
- 全步模式：兩相始終同時(shí)通電。圖12顯示了該驅動(dòng)模式的步進(jìn)步驟。其步驟與波動(dòng)模式類(lèi)似，最大的區別在于，全步模式下，由于電機中流動(dòng)的電流更多，產(chǎn)生的磁場(chǎng)也更強，因此扭矩也更大。
- 半步模式是波動(dòng)模式和全步模式的組合（請參見(jiàn)圖12）。這種模式可以將步距減小一倍（旋轉45°，而不是90°）。其唯一的缺點(diǎn)是電機產(chǎn)生的扭矩不是恒定的，當兩相都通電時(shí)扭矩較高，只有一相通電時(shí)扭矩較小。
- 微步模式：可以看作是半步模式的增強版，因為它可以進(jìn)一步減小步距，并且具有恒定的扭矩輸出。這是通過(guò)控制每相流過(guò)的電流強度來(lái)實(shí)現的。與其他方案相比，微步模式需要更復雜的電機驅動(dòng)器。圖14顯示了微步模式的工作原理。假設IMAX是一個(gè)相位中可以通過(guò)的最大電流，則從圖中左側開(kāi)始，在第一個(gè)圖中IA = IMAX，IB = 0。下一步，控制電流以達到IA = 0.92 x IMAX，IB = 0.38 x IMAX，它產(chǎn)生的磁場(chǎng)與前一個(gè)磁場(chǎng)相比順時(shí)針旋轉了22.5°?？刂齐娏鬟_到不同的電流值并重復此步驟，將磁場(chǎng)旋轉45°、67.5°和90°。與半步模式相比，它將步距減少了一半；但還可以減少更多。使用微步模式可以達到非常高的位置分辨率，但其代價(jià)是需要更復雜的設備來(lái)控制電機，并且每次步進(jìn)產(chǎn)生的扭矩也更小。扭矩與定子磁場(chǎng)和轉子磁場(chǎng)之間的夾角正弦成正比；因此，當步距較小時(shí)，扭矩也較小。這有可能會(huì )導致丟步，也就是說(shuō)，即使定子繞組中的電流發(fā)生了變化，轉子的位置也可能不改變。
- 得益于其內部結構，步進(jìn)電機不需要傳感器來(lái)檢測電機位置。步進(jìn)電機是通過(guò)執行“步進(jìn)”來(lái)運動(dòng)的，因此只需簡(jiǎn)單地計算步數就可以獲得給定時(shí)間的電機位置。
- 此外，步進(jìn)電機的控制非常簡(jiǎn)單。它也需要驅動(dòng)器，但不需要復雜的計算或調整即可正常工作。與其他電機相比，其控制工作量通常很小。而且，如果采用微步模式，還可以實(shí)現高達0.007°的位置精度。
- 步進(jìn)電機在低速時(shí)可提供良好的扭矩，也可以很好的保持位置，而且使用壽命長(cháng)。
- 當負載扭矩過(guò)高時(shí)可能會(huì )失步。由于無(wú)法獲知電機的實(shí)際位置，因此會(huì )對控制產(chǎn)生負面影響。采用微步模式時(shí)更易產(chǎn)生此問(wèn)題。
- 步進(jìn)電機即使在靜止時(shí)也總是消耗最大電流，因此會(huì )降低效率并可能導致過(guò)熱。
- 步進(jìn)電機扭矩小，在高速下會(huì )產(chǎn)生很大的噪音。
- 步進(jìn)電機具有低功率密度和低扭矩慣性比。
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