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步进电机原理 |
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步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等)的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中，只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：可变磁阻步进电机和永磁步进电机。本文重点讨论更为简单也更常用的永磁步进电机。
步进电机的构造
（图一，具有双齿槽和单绕组的定子）
如图1所示，步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。如果线圈中电流的流向如图1所示，并且我们从电机顶部向下看齿槽的顶部，那么电流在绕两个齿槽按逆时针流向流动。根据安培定律和右手准则，这样的电流会产生一个北极向上的磁场。
现在假设我们构造一个定子上缠绕有两个绕组的电机，内置一个能够绕中心任意转动的永久磁铁，这个可旋转部分叫做转子。图2给出了一种简单的电机，叫做双相双极电机，因为其定子上有两个绕组，而且其转子有两个磁极。如果我们按图2a所示方向给绕组1输送电流，而绕组2中没有电流流过，那么电机转子的南极就会自然地按图中所示，指向定子磁场的北极
（图2：双相双极电机）
接着，我们再将绕组2的电流切断，按照图2c的方向给绕组1输送电流，注意：这时绕组1中的电流流向与图2a所示方向相反。于是定子的磁场北极就会指向下，从而导致转子旋转，其南极也指向下方。
然后我们又切断绕组1中的电流，按照图2d所示方向给绕组2输送电流，于是定子磁场又会指向右侧，从而使得转子旋转，其南极也指向右侧。。
最后，我们再一次切断绕组2中的电流，并给绕组1输送如图2a所示的电流，这样，转子又会回到原来的位置。
至此，我们对电机绕组完成了一个周期的电激励，电机转子旋转了一整圈。也就是说，电机的电频率等于它转动的机械频率。
如果我们用1秒钟顺序完成了图2所示的这4个步骤，那么电机的电频率就是1Hz。其转子旋转了一周，因而其机械频率也是1Hz。总之，一个双相步进电机的电频率和机械频率之间的关系可以用下式表示：fe=fm*P/2 (1)
其中，fe代表电机的电频率，fm代表其机械频率，而P则代表电机转子的等距磁极数。
从图2中我们还可以看出，每一步操作都会使转子旋转90°，也就是说，一个双相步进电机每一步操作造成的旋转度数可由下式表示：1 step= 180°/P (2)
由等式(2)可知，一个双极电机每动作一次可以旋转180°/2=90°，这与我们在图2中看到的情形正好相符。此外，该等式还表明，电机的磁极数越多，步进精度就越高。常见的是磁极数在12和200个之间的双相步进电机，这些电机的步进精度在15°和 0.9°之间。
（图3：双相六极电机）
图3 给出的例子是一个双相、6极步进电机，其中包含3个永久磁铁，因而有6个磁极。第一步，如图3a所示，我们给绕组1施加电压，在定子中产生一个北极指向其顶部的磁场，于是，转子的南极(图3a中红色的“S”一端)转向了该图的上方。接着，在图3b中，我们给绕组2施加电压，定子中产生一个北极指向其左侧的磁场。于是，转子的一个距离最近的南极转向了图的左方，即转子顺时针转动了30°。第三步，在图3c中，我们又向绕组1施加一个电压，在定子中产生一个北极指向图下方的磁场，从而又使转子顺时针旋转30°到达图3c所示的位置。而在图3d中，我们给绕组2施加电压，在定子中产生一个北极指向定子右侧的磁场，再一次使转子顺时针旋转30°，到达图3d所示的位置。最后，我们再向绕组1施加电压，产生一个如图3a所示的北极指向定子上方的磁场，使得转子顺时针旋转30°，结束一个电周期。如此可以看出，4步电激励造成了120°的机械旋转。也就是说，该电机的电频率是机械频率的3倍，这一结果符合等式 (1)。此外，我们从图3和等式(2)也能看出，该电机的转子每一步旋转30°。
（图4：同时激励电机的两个绕组）
如果同时向两个绕组输送电流，还能增大电机的扭矩，如图4所示。这时，电机定子的磁场是两个绕组各自产生的磁场的矢量和，虽然这一磁场每一次动作仍然只使电机旋转90°，就象图2和图3中一样，但因为我们同时激励两个电机绕组，所以此时的磁场比单独激励一个绕组时更强。由于该磁场是两个垂直场的矢量和，因此它等于单独每个场的2×1.414倍，从而电机对其负载施加的扭矩也成正比增大。
电机的激励顺序
既然我们知道了一系列激励会使步进电机旋转，接下来就要设计硬件来实现所需的步进序列。一块能让电机动起来的硬件(或结合了硬件和软件的一套设备)就叫做电机驱动器。
从图4中可以看出我们怎样激励双相电机的绕组才能使电机转子旋转，图中，电机内的绕组抽头分别被标为1A、1B、2A和2B。其中，1A和1B是绕组1的两个抽头，2A和2B则是绕组2的两个抽头。
首先，要给脚1B和2B施加一个正电压，并将1A和2A接地。然后，给脚1B和2A施加一个正电压，而将1A和2B接地，这一过程其实取决于导线绕齿槽缠绕的方向，假设导线缠绕的方向与上一节所述相符。依次进行下去，我们就得到了表1中总结的激励顺序，其中，“1”表示正电压，“0”表示接地。
（表1：双相电机动作过程中的绕组抽头极性）
电流在电机绕组中有两种可能的流向，这样的电机就叫做双极电机和双极驱动序列。双极电机通常由一种叫做H桥的电路驱动，图5给出了连接H桥和步进电机两根抽头的电路。H桥通过一个电阻连接到一个电压固定的直流电源(其幅度可根据电机的要求选取)，然后，该电路再经过4个开关(分别标为S1、S2、S3和 S4)连接到绕组的两根抽头。这一电路的分布看起来有点象一个大写字母H，因此叫做H桥。
（图5：可用于驱动电机每个绕组的H桥电路）
从表1中可以看出，要激励该电机，第一步应将抽头2A设为逻辑0，2B设为逻辑1，于是，我们可以闭合开关S1和S4，并断开开关S2和S3。接着，需要将抽头2A设为逻辑1，2B设为逻辑0，于是，我们可以闭合S2、S3，并断开S1和S4。与此类似，第三步我们可以闭合S2、S3并断开S1和S4，第四步则可以闭合S1、S4并断开 S2、S3。
对绕组1的激励方法也不外乎如此，使用一对H桥就能产生需要的激励信号序列。表2所示就是激励过程中每一步开关所在的位置。
（表2：双相电机动作过程中开关的位置）
注意，如果R=0，而开关S1和S3又不小心同时闭合，那么流经开关的电流将达到无穷大。这时，不但开关会被烧坏，电源也可能损坏，因此电路中使用了一个非零阻值的电阻。尽管这个电阻会带来一定的功耗，也会降低电机驱动器的效率，但它可以提供短路保护。
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