詳解步進電機的結構和三種控制模式

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本文將介紹雙極性步進電機及其結構和控制模式。

雙極性步進電機的基本組件

步進電機屬于無刷直流 (BLDC) 電機，它按照等長的步進值逐步轉動。而雙極性步進電機則是每相都擁有一個繞組的步進電機，具體而言是兩相四線步進電機。它由定子和轉子兩個主要部件組成（見圖 1）。

圖1: 雙極性步進電機的結構示意圖

定子

定子是電機的靜止部分。8 個定子上分別繞有兩相雙極性繞組，每個定子鐵芯上帶有五齒（見圖 1）。

A 相繞組繞線從定子 1 開始繞，依次繞到定子3, 5, 7上（見圖 2）。值得注意的是，定子 1 和 5 的繞線方向相同，而定子 3 和 7 的繞線方向相同。這兩組（定子 1 和 5，以及定子 3 和 7）的繞線方向相反。B 相繞組也是以同樣的原理進行繞制，其中定子 4 和 8 為一組，定子 2 和 6 為一組。

圖2: 雙極性步進電機的繞組原理圖

轉子

通常轉子上貼有軸向充磁的永磁體。圖 3 所示為轉子的結構。

圖3: 轉子結構示意圖

圖 4 展示了轉子的側面截面圖。

圖4：轉子側面截面圖

永磁體的磁力線在電機本體內形成閉合。由于磁力線和磁阻效應，即使步進電機在不通電的情況下也有一定的鎖定力矩（見圖 4）。

轉子上擁有 50 個齒，和定子齒輪相對起來，由于這樣的齒數和相數結構，它擁有 1.8 度的步進角度（見圖 5）。步進角度：電氣周期完成 90 度，步進電機轉子前進的機械角度。

圖5: 1.8°步進角度結構示意圖

步進模式

為了方便講解后續的控制方式，我們將復雜的結構圖簡化為示意圖（見圖 6）。

圖 6：雙極性步進電機簡化示意圖

步進電機的定子和轉子可以被看作都只有一個齒，這使步進電機的驅動方式不同于其他電機。這種方法叫做雙全橋驅動，其中 A 相繞組接在第一個全橋驅動上， B 相繞組接在第二個全橋驅動上（見圖 7）。

圖 7：雙全橋驅動電路圖

雙極性步進電機具有三種控制模式：單相步進、整步步進和半步步進（見表 1）。

表1: 步進模式表

單相步進

當 A 相和 B 相按照單相步進的模式依次通電的時候，定子磁場會相應地發生變化，轉子也會由于極性吸引而轉動。表 1 中詳細描述了 A 相和 B 相 (AB) 的通電順序和轉子的轉動位置。

單相步進過程具體包括三個步驟，如下所述：

1. 當 A 通電的時候，驅動電流由 Q1 流向 Q4。此時定子 A 上端為 N，下端在 S，轉子轉到位置 8（見圖 6）。
2. 接下來，B 相通電，驅動電流由 Q5 流向 Q8。此時定子 B 左端為 S，右端為 N，轉子轉到位置 2（見圖 6）。
3. 接下來兩個狀態原理和上面類似，循環這一通電順序，轉子就開始轉動起來。

整步步進

與單相步進不同的是，整步步進式 AB 繞組會同時進行通電。另外還有四個對應的通電方式和轉子電氣位置，只是其位置空間在電氣空間上不同于單相步進。根據整部的通電順序，轉子也能轉動起來。圖 9 顯示了 AB 相的整步電流波形。

半步步進

半步模式將單相步進和整步步進這兩種控制方式進行融合，它的電氣角度位置更多，電流波形更加細致，轉動更加平滑。

圖 10 顯示了單相到兩相操作的非循環半步模式。這種模式在整步和半步之間交替生成 8 步序列。

結語

來源：MPS

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