步进电动机的工作原理及驱动方法

转自：http://www.eepw.com.cn/article/73889.htm

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制。

1.步进电动机的种类

　　目前常用的有三种步进电动机：

　　(1)反应式步进电动机(VR)。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。

　　(2)永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。

　　(3)混合式步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。

2.步进电动机的工作原理

图1 三相反应式步进电动机的结构示意图

1——定子  2——转子  3——定子绕组{{分页}}

　　图1是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60º。各磁极上套有线圈，按图1连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为θ_E=360º/40=9º，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图1，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3º。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3º；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3º。依次类推，当三相绕组按A→B→C→A顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3º的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按A→C→B→A顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3º的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角θ_b为30º。三相步进电动机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按AB→BC→CA→AB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式步进电动机的步距角可按下式计算：

                          θ_b=360º/NE_r                                 (1)

式中   E_r——转子齿数；

       N——运行拍数，N=km，m为步进电动机的绕组相数，k=1或2。

3.步进电动机的驱动方法

　　步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，如图2所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。

图2 步进电动机驱动控制器

1. 单电压功率驱动接口

　　实用电路如图3所示。在电机绕组回路中串有电阻R_s，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单电压驱动线路中，R_s是不可缺少的。R_s对步进电动机单步响应的改善如图3(b)。{{分页}}

图3 单电压功率驱动接口及单步响应曲线

图4 双电压功率驱动接口

2.双电压功率驱动接口

　　双电压驱动的功率接口如图4所示。双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压U_L驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压U_H驱动。这种功率接口需要两个控制信号，U_h为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。图中，功率管T_H和二极管D_L构成电源转换电路。当U_h低电平，T_H关断，D_L正偏置，低电压U_L对绕组供电。反之U_h高电平，T_H导通，D_L反偏，高电压U_H对绕组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。

3.高低压功率驱动接口

图5 高低压功率驱动接口

　　高低压功率驱动接口如图5所示。高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压U_H供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压U_L来维持绕组的电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻R_s，消除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号U_h和U_l，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，如图5所示。图中，高压管VT_H的导通时间t_l不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。一般可取1~3ms。（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。{{分页}}

4.斩波恒流功率驱动接口

　　恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。使电机具有恒转矩输出特性。这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。图6是斩波恒流功率接口原理图。图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。当电流不大时，VT₁和VT₂同时受控于走步脉冲，当电流超过恒流给定的数值，VT₂被封锁，电源U被切除。由于电机绕组具有较大电感，此时靠二极管VD续流，维持绕组电流，电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。此时电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。当电流小于恒流给定的数值，VT₂导通，电源再次接通。如此反复，电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波，如图6所示。

图6 斩波恒流功率驱动接口

　　斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中u₁是数字脉冲，u₂是模拟信号。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较复杂。目前已有相应的集成功率模块可供采用。

5.升频升压功率驱动接口

　　为了进一步提高驱动系统的高频响应，可采用升频升压功率驱动接口。这种接口对绕组提供的电压与电机的运行频率成线性关系。它的主回路实际上是一个开关稳压电源，利用频率-电压变换器，将驱动脉冲的频率转换成直流电平，并用此电平去控制开关稳压电源的输入，这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。

6.集成功率驱动接口

　　目前已有多种用于小功率步进电动机的集成功率驱动接口电路可供选用。

　　L298芯片是一种H桥式驱动器，它设计成接受标准TTL逻辑电平信号，可用来驱动电感性负载。H桥可承受46V电压，相电流高达2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的逻辑电路使用5V电源，功放级使用5~46V电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻。L298(等)采用15脚双列直插小瓦数式封装，工业品等级。它的内部结构如图7所示。H桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方向通电。L298特别适用于对二相或四相步进电动机的驱动。{{分页}}

图7 L298原理框图

　　与L298类似的电路还有TER公司的3717，它是单H桥电路。SGS公司的SG3635则是单桥臂电路，IR公司的IR2130则是三相桥电路，Allegro公司则有A2916、A3953等小功率驱动模块。

　　图8是使用L297(环形分配器专用芯片)和L298构成的具有恒流斩波功能的步进电动机驱动系统。

图8 专用芯片构成的步进电动驱动系统