步進(jìn)馬達(dá)基本原理(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 達(dá)可以兩相極驅(qū)動或組合驅(qū)動。磁極可以認(rèn)為是磁體上磁力線集中的地方，步進(jìn)馬達(dá)的定子和轉(zhuǎn)子都是分極性的。圖22是兩相馬達(dá)示意圖，定子有兩個極（或一對極），轉(zhuǎn)子有兩個極（或一對極）。實(shí)際上，定子和轉(zhuǎn)子都是分很多極的，目的是增加轉(zhuǎn)動一圈所需要的步數(shù)，也就是說減低步進(jìn)角。PM型馬達(dá)的定子和轉(zhuǎn)子的極數(shù)相同，典型的PM型馬達(dá)有12對極，定子的每相都有12對極；混合型步進(jìn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)牙狀，轉(zhuǎn)子可分為兩類，按照磁體的類型——牙狀的一端為N極，另一端為S極，極對數(shù)與牙狀數(shù)相同。混合型步進(jìn)馬達(dá)的定子也有牙狀結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于增加磁極的對數(shù)（小的磁極間隔，相當(dāng)?shù)拇艠O數(shù)=360/牙距），對應(yīng)于纏繞有線圈的主極。176。，176。176。下面是定子極數(shù)與轉(zhuǎn)子極數(shù)和相數(shù)的基本關(guān)系，并確定了步進(jìn)馬達(dá)的步進(jìn)角：步進(jìn)角=360176。/（Nph*Ph）=360176。/N其中：Nph=每相的磁極數(shù)（轉(zhuǎn)子的極數(shù)）； Ph=相數(shù)； N=全部相數(shù)的極數(shù)；如果轉(zhuǎn)子和定子的牙距不同，有一個更為復(fù)雜的關(guān)系式。九，步進(jìn)類型（步進(jìn)方式）下面是常見的驅(qū)動方式： 振動驅(qū)動（1相）； 全步驅(qū)動（2相）； 半步驅(qū)動（1相或兩相）； 微步驅(qū)動（連續(xù)但電流變化的驅(qū)動）；參考圖26了解下面的內(nèi)容：在振動驅(qū)動過程中任何時候，只有一個線圈通電，線圈通電的順序A B A B，并且轉(zhuǎn)子的位置為8 2 4 6步進(jìn)。對于單相或兩相帶牙狀的馬達(dá)，有同樣的線圈參數(shù)，同樣的機(jī)械原理。這種驅(qū)動的缺點(diǎn)：單相馬達(dá)在任何時候向圈的使用率僅25%，兩相的為50%，這就意味著沒有得到馬達(dá)可以輸出的最大功率。在全步驅(qū)動中，任何時候有兩相勵磁，定子勵磁的順序?yàn)锳B AB AB AB，轉(zhuǎn)子位置變化順序?yàn)? 3 5 7，全步驅(qū)動馬達(dá)角度的移動與驅(qū)動器上脈沖1的相同，但機(jī)械位置的偏移只有全步進(jìn)的一半。單相步進(jìn)馬達(dá)的扭矩小于兩相的（對于同樣的線圈參數(shù)），因?yàn)閱蜗囫R達(dá)只用了線圈能力的50%，而兩相的則全部利用。半步驅(qū)動結(jié)合振動驅(qū)動器和全步驅(qū)動兩方面的內(nèi)容特征（1相和兩相的），每次的第二步只有一相勵磁，而其余總是兩相勵磁，定子勵磁的順序?yàn)锳B B AB A AB B AB A，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動位置依此為1 2 3 4 5 6 7 8 ，這樣角度的變化也是一半是半相，一半是兩相，這樣有利于減少共鳴，而這種共鳴在1相或兩相均會出現(xiàn)，上述驅(qū)動模式的激磁順序可歸納到表1中。微步驅(qū)動，線圈中的電流持續(xù)變化，以便把一個步進(jìn)過程分解成許多小步，詳細(xì)的內(nèi)容參閱“微步步進(jìn)”一章。 圖26 單極及雙極纏繞的步進(jìn)馬達(dá)十，轉(zhuǎn)矩與步進(jìn)角特性轉(zhuǎn)矩相對轉(zhuǎn)角的特性關(guān)系是取決于轉(zhuǎn)子位移和馬達(dá)在額定電壓下轉(zhuǎn)子所能輸出的力距，理想的關(guān)系曲線是一條正弦曲線（如圖28所示）。位置A和C表示的是穩(wěn)定平衡點(diǎn)（當(dāng)沒有外力作用時），若有外力作用時，比如外力為T，那么你必須使轉(zhuǎn)子有一個角位移Qa，這個角度Qa是超前還是滯后取決于馬達(dá)是在加速還是在減速運(yùn)動狀態(tài)，如果馬達(dá)帶著負(fù)載停止的話，將會在這里有角度偏移的位置，馬達(dá)產(chǎn)生一個扭矩Ta來抵消外部負(fù)載從而達(dá)到平衡。隨著負(fù)載的增大，偏移角也不斷增大，一直達(dá)到馬達(dá)扭矩的最大值即支持扭矩 Th，超過Th后馬達(dá)就進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域，到了這個區(qū)域，馬達(dá)的扭矩將是反方向的，因而馬達(dá)將跳過這個區(qū)域而進(jìn)入下一個穩(wěn)定區(qū)。偏移角的大小可通過下面的關(guān)系式確定：X=（Z/2π）*SIN（Ta/Th）式中：Z=轉(zhuǎn)子牙距（或磁極間距） Ta=負(fù)載 X=偏移角 Th=馬達(dá)額定的支持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）這樣，如果馬達(dá)在帶負(fù)載的情況下，步進(jìn)角出現(xiàn)錯誤，應(yīng)該考慮改變馬達(dá)的勁度，也就是增加馬達(dá)的HOLDING TORQUE，這可參閱圖25，也就是把滯后角從Q2變?yōu)镼1。十一，步進(jìn)角的精度步進(jìn)馬達(dá)能夠得以廣泛應(yīng)用主要在于它的精度和可重復(fù)性能，典型的步進(jìn)馬達(dá)的步進(jìn)角精度為3~5176。，并且這些誤差不會一步步積累，步進(jìn)角精度主要受馬達(dá)部品和組件的機(jī)械精度控制，圖29表示了典型的步進(jìn)馬達(dá)的位置精度。步進(jìn)位置誤差最大的位置正、負(fù)誤差是指馬達(dá)從一個穩(wěn)定位置轉(zhuǎn)動到另一個位置的誤差。 該誤差=測定值理論轉(zhuǎn)動角位置誤差馬達(dá)從原始位置轉(zhuǎn)動N次（N=360176。/步進(jìn)角），測量每一次轉(zhuǎn)動的角度，如果從初始位置到轉(zhuǎn)動N次的位置角度為QN，誤差為ΔQN。則有：ΔQN=QN步進(jìn)角*N位置誤差是指最大值和最小值的差異，并以177。號表示，即有： 位置誤差=177。1/2（ΔQMAXΔQMIN）磁滯位置誤差 兩個方向測量的位置之間的誤差。十二 相關(guān)的機(jī)械參數(shù)：負(fù)載、摩擦、慣性馬達(dá)系統(tǒng)行為主要依賴于負(fù)載的機(jī)械特性，負(fù)載是馬達(dá)所驅(qū)動的，主要包括摩擦量和慣性量及兩者的組合。摩擦力阻礙馬達(dá)的轉(zhuǎn)動，它的產(chǎn)生是由于接觸面之間互相摩擦，轉(zhuǎn)動過程中摩擦是常量，馬達(dá)要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動，它的最小扭矩必須大于摩擦力產(chǎn)生的扭矩，至少要與之相等。摩擦力增大的話會降低馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)速，降低馬達(dá)的加速性能而增加位置誤差，摩擦力的減小使得馬達(dá)的回轉(zhuǎn)更加正確。慣性是速度改變的阻力，大的負(fù)載慣性需要大的起動和制動轉(zhuǎn)矩。增加慣性矩會增加轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性，增加運(yùn)行到設(shè)定轉(zhuǎn)速的時間，并將降低最大自啟動周波數(shù)，反之亦然。馬達(dá)的振動隨摩擦力和慣性矩的不同而不同。它是有害的，可通過機(jī)械方面加以控制，事實(shí)上通過電氣控制更容易做到，比如將全步驅(qū)動改為半步驅(qū)動。十三 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的特性曲線及驅(qū)動方式是選擇馬達(dá)的最關(guān)鍵因素，這些特性依賴于馬達(dá)、勵磁方式、驅(qū)動器模式及驅(qū)動。圖29就是一個典型的轉(zhuǎn)矩速度曲線的實(shí)例。 為更好地理解這一曲線，需要對曲線的外部特征進(jìn)行定義： 保持轉(zhuǎn)矩：指馬達(dá)可以產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩。 引入曲線：導(dǎo)入曲線是馬達(dá)在靜止起動時的曲線，它指的是馬達(dá)在承擔(dān)一定的負(fù)載時，由靜止起動到的最大頻率（無損耗發(fā)生）。 最大自啟動頻率：指馬達(dá)在無負(fù)載時起動能達(dá)到的最大頻率。 導(dǎo)出曲線：導(dǎo)出曲線指出了馬達(dá)的驅(qū)動區(qū)域，它指的是馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，在一定的負(fù)載作用下且沒有損耗發(fā)生時，能達(dá)到的最大頻率。這個曲線與引入曲線之間的部分即是馬達(dá)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的區(qū)域，馬達(dá)必須進(jìn)入這個區(qū)域運(yùn)行（通過加速或減速來實(shí)現(xiàn)）。 最大回轉(zhuǎn)頻率：指的是馬達(dá)在無負(fù)載時能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的最大頻率。引入特性的變化也與負(fù)載有關(guān)，負(fù)載的慣性越大，引入的面積越小，從曲線的外形我們可以看出，步進(jìn)頻率影響馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩的性能，輸出轉(zhuǎn)矩增加時速度降低，這是由于速度越高，馬達(dá)的感應(yīng)系數(shù)越大的緣故。當(dāng)驅(qū)動器類型不同時，速度轉(zhuǎn)矩曲線的外形變化也很大，Ericsson公司制造的兩極斷路器式驅(qū)動器，使一個特定馬達(dá)的速度轉(zhuǎn)矩曲線變得最大，許多馬達(dá)制造廠都采用這些速度轉(zhuǎn)矩曲線用于自己的馬達(dá)中，這里，重點(diǎn)要理解驅(qū)動器類型或生產(chǎn)廠家為開發(fā)他們的特定馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩特性的驅(qū)動方式可能有所不同，這就更加依賴于所采用的驅(qū)動方式。十四 步進(jìn)角響應(yīng)與共振步進(jìn)馬達(dá)的步進(jìn)角響應(yīng)特性如圖211所示。當(dāng)給一個步進(jìn)馬達(dá)輸入一個步進(jìn)脈沖時，轉(zhuǎn)子將以圖示曲線的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，步進(jìn)時間指的是從接收到步進(jìn)信號到馬達(dá)軸轉(zhuǎn)過一個步進(jìn)角的時間，這個步進(jìn)時間在很大程度上依賴于轉(zhuǎn)矩與慣性（負(fù)荷）的比例，如驅(qū)動器方式的不同。既然轉(zhuǎn)矩是產(chǎn)生位移的一種方式，而且加速也是一種，那么，當(dāng)要移動一個大的步進(jìn)增量時，就產(chǎn)生了一個大轉(zhuǎn)矩，接著就產(chǎn)生了一個大的加速度，這樣可以引起超過預(yù)定位置及產(chǎn)生鈴形曲線（如圖所示），圖中所設(shè)置的時間“T”指的是振蕩或鈴形結(jié)束。在有些情況下，這個現(xiàn)象可以同樣的理解。可以通過微步進(jìn)的步進(jìn)馬達(dá)來減小或消除這個動作過程，有關(guān)微步進(jìn)的更多內(nèi)容請參考微步進(jìn)手冊（本冊中也有簡單介紹）。 圖211 單步進(jìn)響應(yīng)與時間關(guān)系 步進(jìn)馬達(dá)常在某一個步進(jìn)頻率下顯示出一種稱為共振的現(xiàn)象，這可以看成是轉(zhuǎn)矩在某一速度下突然的丟失或下降導(dǎo)致錯過步進(jìn)或喪失同步性，它發(fā)生在輸入步進(jìn)脈沖的頻率與正常的轉(zhuǎn)子的振蕩頻率相等時，通常在100~200 PPS的范圍內(nèi)有一個共振區(qū)域，另外還有一個在高的步進(jìn)頻率范圍中。步進(jìn)馬達(dá)的共振現(xiàn)象來自于它的基本結(jié)構(gòu)，因此不可能完全地消除它，可以通過半步進(jìn)或微步進(jìn)的馬達(dá)驅(qū)動方式來減小它。第三章 半步進(jìn)技術(shù)使馬達(dá)以半步進(jìn)的模式運(yùn)轉(zhuǎn)可以通過高響應(yīng)及低的共振來提高系統(tǒng)的性能，可以通過修改半步進(jìn)模式來減小轉(zhuǎn)矩的變化量以達(dá)到更加平穩(wěn)的運(yùn)動和更加精確的位置。這一節(jié)將詳細(xì)介紹電子學(xué)、程序以及產(chǎn)生用于Ericsson步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動器上的必須信號所包含的理論背景。一， 旋轉(zhuǎn)磁場 驅(qū)動步進(jìn)馬達(dá)的基本原理是讓轉(zhuǎn)子排列使其產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場，這個旋轉(zhuǎn)磁場通過兩相線圈中的電流產(chǎn)生于定子中間（如圖31）旋轉(zhuǎn)磁場的大小和方向通過一個如圖32的向量來表示。創(chuàng)建一個雙尺寸向量，至少需要確定兩個受控坐標(biāo)X軸及Y軸，X軸及Y軸也可參考定子軸。 圖31中的兩組線圈產(chǎn)生一個排列于兩個定子軸之間的磁通量，兩個線圈中電流的大小決定了磁場強(qiáng)度的矢量和，如方向即表現(xiàn)合成磁場振幅的矢量長度，這些矢量在圖1及圖2中都有表示，輸出軸的轉(zhuǎn)矩與磁場強(qiáng)度成正比。 圖31 兩相步進(jìn)馬達(dá) 圖32磁場的方向及幅度 在圖31中，如果給A相和B相加上電壓，轉(zhuǎn)子可以從位置1移動到位置3，5，7等，移動到哪一個方向取決于兩個線圈中電流方向所決定的磁場方向。這樣的驅(qū)動常被稱為“兩相驅(qū)動”，如果僅一個線圈通電轉(zhuǎn)子可以從位置2移動到4，6，8等，這樣的驅(qū)動方式稱為“單相驅(qū)動”。在整個步進(jìn)過程中這兩種驅(qū)動模式都會發(fā)生，但全步進(jìn)位置只在全步進(jìn)的一半被改變。1,半步進(jìn) 如果把這兩種驅(qū)動方式結(jié)合并且提供給線圈合適的電流次序，轉(zhuǎn)子可以按照排列的位置如1，2，3，4，5等的順序運(yùn)轉(zhuǎn)，這就是“半步進(jìn)模式”。 圖33描述了電流時間表，它包括輸入的信號，電流方向表及磁場的方向。 第一部分說明兩相驅(qū)動時馬達(dá)從位置1移動到3，5，7在圖表的第二部分指的是半步進(jìn)（電流）的次序輸入線路中的情形。同全步進(jìn)比較，半步進(jìn)的驅(qū)動有以下一些主要優(yōu)點(diǎn)：1， 有較高的分辨度（無需使用更多步的更昂貴的馬達(dá)）；2， 共振現(xiàn)象的問題點(diǎn)少，共振現(xiàn)象發(fā)生于一個或多個步進(jìn)頻率中轉(zhuǎn)矩的突然消失，半步進(jìn)通常可以克服這些共振問題；但是半步進(jìn)驅(qū)動的一個缺點(diǎn)是有效轉(zhuǎn)矩的變化，原因是單相狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩只有兩相狀態(tài)的70%，這個變化可以導(dǎo)致振動或機(jī)械噪音或兩者同時發(fā)生，這種情況在全步進(jìn)驅(qū)動模式中很少發(fā)生。2,半步進(jìn)的修正（恒定轉(zhuǎn)矩模式） 消除轉(zhuǎn)矩變化的問題是增加單相狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到整個狀態(tài)的恒定轉(zhuǎn)矩，這可以通過在單步進(jìn)狀態(tài)下把電流增加為140%以接近兩相狀態(tài)下的電流（如2，4，6，8在圖212及圖213中）。 可以通過改變電阻或電壓或同時改變兩者的方法實(shí)現(xiàn)。兩相狀態(tài)下的電流可以通過改變電壓來實(shí)現(xiàn)，部分回路（如PBL3712/2及3770A）可以設(shè)置不同的經(jīng)過I0、I1進(jìn)行邏輯輸入的內(nèi)電流值，這些輸入可以設(shè)置為最大電流的100%、60%、20%、或0%。注意140%的電流值是一個理論的圖形，如果實(shí)際應(yīng)用中需要合適的轉(zhuǎn)矩及平穩(wěn)的驅(qū)動，就可以在全步進(jìn)及半步進(jìn)之間進(jìn)行矯正，這依賴于馬達(dá)的類型及使用的步進(jìn)率。 既然電流是每半步進(jìn)行增加的，總的能量消耗即轉(zhuǎn)矩將保持在一個恒定水平上（與全步進(jìn)模式100%電流相同），如果不超過最大電流或驅(qū)動器回路的額定功率，增加到140%的電流值顯然不是經(jīng)常的問題。然而，當(dāng)選擇Ericssion的雙路驅(qū)動器時，這將不再成為問題。驅(qū)動器的性能由組件及允許的能量消耗而限制。當(dāng)兩條通路都導(dǎo)通時，將減少一定數(shù)量的能量消耗，當(dāng)其中一個通路關(guān)閉時，將降低能量消耗50%，另一個通路因此而允許有更多的能量消耗，因此驅(qū)動器也就有更大的電流。單驅(qū)動器可以選擇用于達(dá)到所需要的最大電流，例如140%的電流水平，由于在單相導(dǎo)通狀態(tài)，單相驅(qū)動器不能分配所有的功率容量。二， 電流衰減 當(dāng)進(jìn)入單相狀態(tài)時，考慮電流的變化很重要，特別是當(dāng)使用半步進(jìn)驅(qū)動方式時，為促進(jìn)轉(zhuǎn)子進(jìn)入單相導(dǎo)通狀態(tài)，通過一個截止線圈的電流應(yīng)盡快減少到零。通常將在一個振動及過振動的過程中產(chǎn)生一個很快的電流衰減，但這個外形的成功很大程度上依賴于應(yīng)用軟件（機(jī)械阻尼、轉(zhuǎn)子狀態(tài)與磁場中間的延遲等），最快的電流衰減將使輸入脈沖與磁場中間更為緊密。 通過電流衰減，我們指出電流變化發(fā)生在改變脈沖后減弱線圈中電流的完成過程，而不是恒定的電流在開關(guān)過程出現(xiàn)的電流衰減。通常電流衰減的時間取決于電壓，在這個電壓下線圈釋放出它存儲的電能，迫使電流流回電源，這就是應(yīng)用中最大允許的電壓，結(jié)果產(chǎn)生了最大可能的電流衰減。 圖34展示了一個馬達(dá)電流的示意圖。更為現(xiàn)實(shí)的例子如圖214，在高步進(jìn)頻率時，顯然可以看出，電流在單相導(dǎo)通時如果電流衰減很慢將不會達(dá)到零，相應(yīng)地，這時馬達(dá)的電流將變得平滑而且越來越象一個正弦曲線，這個結(jié)果對于高步進(jìn)頻率及轉(zhuǎn)矩是一個重大的損失。圖34 圖31中不同的轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的輸入信號、輸出電流及磁場方向 在一個H型橋式線路中電流衰減可以通過以正確順序開關(guān)晶體管來得到控制（如圖216所示）。當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通，Q3和Q2截止時，通路1導(dǎo)通，中間有電流通過，這時關(guān)閉輸出將有兩種途徑對應(yīng)于兩種不同的結(jié)果。 如果僅僅關(guān)Q4，電流將沿通路2的方向流動，這意味著很慢的電流衰減