1、 双极性步进电机原理电动机一般分两种，一种为直流电机，另一种是步进电机。日常生活中的电风扇、风筒、抽风机等一般是直流电动机。本文主要介绍步进电机。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、硬盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、工业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精确移动到另一个位置，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
2、机。以下重点讨论更为简单也更常用的永磁步进电机。一、 双极性步进电机1.双极性步进电机的构造双极性步进电机之所以如此命名，是因为每个绕组可以两个方向通电。因此每个绕组的其中一端既可以是 N极也可以是 S 极。它还被成为亮相步进电机因为，它有两组独立的线圈。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
3、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 A 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。再假设我们切断绕组 1 中的电流，而按图 B 所示方向给绕组 2 输送电流，那么定子的磁场就会指向左侧，而转子也会随之旋转，与定子磁场方向保持一致 。接着，我们再将绕组 2 的电流切断，按照图 C 的方向给绕组 1 输送电流，注意：这时绕组 1 中的电流流向
4、与图 A 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 D 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 A 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
5、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 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 由等式可知，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 给出的例子是
6、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。一，如图 A 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。二，在图 B 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。三，在图 C 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 C 所示的位置。四，而在图 D 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，
7、再一次使转子顺时针旋转 30，到达图 D 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。此外，我们从图 3 和等式也能看出，该电机的转子每一步旋转 30。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
8、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 21.414 倍，从而电机对其负载施加的扭矩也成正比增大。 2.双极性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
9、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。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性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
10、电路的分布看起来有点象一个大写字母 H，因此叫做 H 桥。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。 注意，如果 R=0，而开
11、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。二、 单极性电机及其驱动器前面我们已经讨论了双极性步进电机和驱动器。单极电机与双极电机类似，不同的是在单极电机中外部能够接触到的只有每个绕组的中心抽头，如图 6 所示。我们将从绕组顶部抽出的抽头标为抽头 B，底部抽出的标为抽头 A，中间的为抽头 C。 有时我们会遇到一些抽头没有标注的电机，如果我们清楚步进电机的构造，就很容易通过测量抽头之间的阻值，识别出哪些抽头属于哪根绕组。不同绕组的抽头之间阻抗通常为无穷大。如果经测量，抽头 A 和 C 之间的阻抗为 100 欧姆，那么抽头 B 和 C 之间的阻抗也应是 100 欧姆，而 A 和 B 之间的阻抗为 200 欧姆。200 欧姆这一阻抗值就叫做绕组阻抗。 图 7 给出一个单极电机的单相驱动电路。从中可以看出，当 S1 闭合而 S2 断开时，电流将由右至左流经电机绕组；而当 S1 断开，S2 闭合时，电流流向变为由左至右。因此，我们仅用两个开关就能改变电流的流向( 而在双极电机中需要 4 个开关才能做到 )。表 3 所示为单极电机驱动电路中，每一步激励时开关所处的位置。
