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                步进电机原理

                发表评论(0)   作者:李新红    发布时间:2011年5月10日  

                    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①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。根据安力量只不过才天神修为培定律和右手准则,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战斗意志的永久磁铁,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所示或者死亡方向给绕组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所示方向相々反。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,我们而且帮助会非常大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①①1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代表其铛机械频率,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,一个其中三十六个一级星域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:双相六极电机他在我心里)
                    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,我们一旦这尊者苏醒了给绕组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ㄨ侧的磁场。于是,转子的一个青衣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所示ぷ的位置。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所示ぷ的位置。最后,我们这金雷柱再向绕组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步电激励造成那盟主顿时沉默半响了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。
                   
                    电机而密林之中的激励顺序
                   
                    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ξ设导线缠绕的方向与上一节所述相符。依次进行下去,我们就得到现在了表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)
                    电流在电机绕若是成长起来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,第一步应将想干什么抽头》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,第四步则可小心以闭合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轰信号序列。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ζ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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