步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種完成增量運(yùn)動(dòng)的電磁機(jī)械。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)區(qū)別于其他電動(dòng)機(jī)的最大特點(diǎn)是它接收數(shù)字控制信號(hào)（電脈沖信號(hào)），把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，因此又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。它本身就是一個(gè)完成數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。
　　顧名思義，對(duì)應(yīng)每一個(gè)輸入指令脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)規(guī)定的角度（稱步距角）或位置增量。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出的角位移（即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角）與輸入的指令脈沖數(shù)成正比；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速咒（即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速）與指令脈沖頻率成正比；轉(zhuǎn)矩由磁阻作用產(chǎn)生，旋轉(zhuǎn)方向則取決于脈沖的順序。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力允許下，這種線性關(guān)系不會(huì)因負(fù)載變化等因數(shù)而變化，所以可以在較寬的范圍內(nèi)，通過對(duì)指令脈沖的頻率和數(shù)量的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)速度和位置的控制。
　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與其他電動(dòng)機(jī)的差別主要是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一定要與控制脈沖聯(lián)系起來才能運(yùn)行，否則無法工作。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最簡單運(yùn)行方式是與控制脈沖組成開環(huán)系統(tǒng)，這樣的所謂增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的交直流伺服系統(tǒng)相比，其成本明顯降低，幾乎不必進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整，因此，隨著運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)字化到來，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用日益廣泛。與之相適應(yīng)，各國半導(dǎo)體廠商開發(fā)和生產(chǎn)了大量適用于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的專用集成電路。

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理
　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可分為磁阻式（即反應(yīng)式）和永磁式兩大類，另有一種混合式又稱感應(yīng)子式的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從控制的角度看與永磁式區(qū)別不大。本節(jié)主要介紹磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
　　 磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
　 磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，是目前比較流行的一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它利用了磁通力圖尋找磁阻最小路徑中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的特性。我們應(yīng)用圖11.20來說明這種電動(dòng)機(jī)的工作原理。
　 磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子上裝有多相勵(lì)磁繞組，圖11.20中為最常使用的三相繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的示意圖。三相繞組形成6個(gè)磁極。轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成，上有4個(gè)齒。當(dāng)A相繞組通電，而B、C相繞組均不通電時(shí)，由于磁通力圖走磁阻最小路徑，使磁路磁阻最小，因此產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩使齒1、3的軸線與定子A相磁極對(duì)齊。在下一時(shí)刻給B相通電，斷開A相供電將使轉(zhuǎn)子齒2、4的軸線與B相磁極對(duì)齊，轉(zhuǎn)子因此整體上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了30°。因此按A-B-C—A…的順序使三個(gè)繞組輪流通電將使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。如果按A-C-B-A…的順序通電，轉(zhuǎn)子將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由此可得到如下的判斷：
(1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向取決于繞組通電的順序；
(2)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于繞組通斷的頻率；
(3)繞組的每次通電切換，轉(zhuǎn)角步進(jìn)的距離為轉(zhuǎn)子齒間夾角距的l/m，亦即步距角為齒距的l/m。
上述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模型中每步步距角為30°，很難適應(yīng)精細(xì)控制的要求。實(shí)際的電動(dòng)機(jī)采用如圖11. 21的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中定子磁極的極弧上開有一些均勻分希的小齒，轉(zhuǎn)子表面也均勻分布著小齒。轉(zhuǎn)子小齒之間按角度度量的齒距和定子的齒距完全相等。所謂齒距就是相鄰兩齒中心線的夾角，又稱為齒距角DT=360°/Zr 式中DT-齒距； Zr-轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。
　 由于開了這些小齒，轉(zhuǎn)子在繞組切換時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)在小于DT的范圍內(nèi)就能找到一個(gè)磁阻最小的位置，這樣就大大減小了步距角，提高了運(yùn)動(dòng)的分辨率。

　 從圖11. 20的分析中注意到當(dāng)轉(zhuǎn)子的齒與某一磁極的齒完全吻合時(shí)，對(duì)于m相電動(dòng)機(jī)來說，轉(zhuǎn)子的齒與其他二相磁極的齒必須依次錯(cuò)開l/m齒距。對(duì)于三相電動(dòng)機(jī)來說，當(dāng)A相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的小齒與B、C兩相磁極上的小齒必須依次錯(cuò)開DT/3。在這種約束下，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)就不能是任意數(shù)值，而是必須滿足以下的條件Zr/2p=K±1/m即Zr=2p(K±1/m)=2pK±2
式中K-正整數(shù); p-極對(duì)數(shù)； m-相數(shù)，p=m。

　 例如對(duì)于圖11.20中的結(jié)構(gòu)，令p=m=3，K=1，則可求得Zr=4或8。
　上述的這種電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)稱為單段式的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得電機(jī)制造相對(duì)較為簡單，精度容易保證，步距角也可以做得較小，容易得到較高的啟動(dòng)和運(yùn)行頻率。其缺點(diǎn)是當(dāng)電機(jī)的直徑較小、相數(shù)較多時(shí)制作較為困難。因此產(chǎn)生了多段式結(jié)構(gòu)。

　 圖11.22表示一個(gè)三相多段式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中每相都有自己獨(dú)立的一套定子和轉(zhuǎn)子，沿著轉(zhuǎn)軸的方向裝配在一起。如圖11.22中右邊的截面圖所示，每相的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)可以等于定子的齒數(shù)，齒距嚴(yán)格相等。定子上的各相繞組的連接使得相鄰兩磁極極性相反，當(dāng)繞組通電時(shí)，所有的轉(zhuǎn)子齒均與定子齒一一相對(duì)。定子和轉(zhuǎn)子的裝配有兩種做法：一種是使三個(gè)定子的齒形對(duì)齊，使三個(gè)轉(zhuǎn)子按A、B、C的順序依次錯(cuò)開1/3個(gè)齒距；另一種做法則相反，讓三個(gè)轉(zhuǎn)子的齒形對(duì)齊，而讓定子錯(cuò)開1/3個(gè)齒距。

　 多段式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子空間利用率較好，環(huán)形控制繞組制作方便。轉(zhuǎn)子可做成細(xì)長型以減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。步距角可做得較小。多段式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組通電的切換方式與單段式電動(dòng)機(jī)一樣。這里還可以注意到多段式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)沒有特殊的限制。

　 對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，某一相繞組通電（勵(lì)磁）后，如果轉(zhuǎn)子進(jìn)入穩(wěn)定零位，則電磁轉(zhuǎn)矩等于零。所謂穩(wěn)定零位就是電磁轉(zhuǎn)矩在理論上等于零的那些穩(wěn)定位置。如果用外加轉(zhuǎn)矩迫使轉(zhuǎn)子離開穩(wěn)定零位，步進(jìn)電機(jī)將由于磁阻的變化產(chǎn)生復(fù)位轉(zhuǎn)矩，復(fù)位轉(zhuǎn)矩力求克服外加轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子回到磁阻最小的穩(wěn)定零位。在步進(jìn)電機(jī)中，被勵(lì)磁的磁極下轉(zhuǎn)子與定子齒齒相對(duì)的位置就是磁阻最小的穩(wěn)定零位。復(fù)位轉(zhuǎn)矩也就是靜態(tài)下的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，它是轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)。圖11. 23為磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組勵(lì)磁電流恒定時(shí)靜態(tài)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置變化的曲線，該曲線稱為矩角特性曲線。該曲線的橫坐標(biāo)為空間幾何角度，坐標(biāo)原點(diǎn)為轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定零位，或者說是被勵(lì)磁的磁極下被選作參考點(diǎn)的某一定子齒的中心線位置。

　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)是通過按照一定的節(jié)拍（速率）改變繞組通斷方式而實(shí)現(xiàn)的。節(jié)拍和狀態(tài)的變化體現(xiàn)為繞組電流脈沖的組合。通電脈沖方式不同時(shí)，產(chǎn)生不同的工作方式。例如三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可使用如圖11. 24所示的單極性開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)繞組的通斷，而通斷的方式則有單三拍、雙三拍和單雙六拍等三種工作方式。

(1)單三拍工作方式
　由控制脈沖的觸發(fā)下，開關(guān)按Ti、Tz、T3順序連續(xù)接通步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按A—B—C—A…的順序輪流供電給定子各個(gè)繞組，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒在磁力作用下與通電磁極下的定子齒對(duì)齊，按步距角產(chǎn)生步進(jìn)的旋轉(zhuǎn)。如果當(dāng)開關(guān)按Ti、T3.T2順序連續(xù)接通，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按A—C—B—A…的順序供電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)變成按與上述相反的方向位移。上述通電方式稱為單三拍工作方式。

(2)雙三拍工作方式
　 由控制脈沖使開關(guān)按T，T2、T2T3、T。T，順序連續(xù)接通，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按AB—BC- CA—AB--順序輪流供電給定子繞組。通過分析可知轉(zhuǎn)子受兩相磁場(chǎng)的共同作用，其穩(wěn)定位置偏移了1/2個(gè)步距角，亦即1/6個(gè)齒距。雙三拍方式的優(yōu)點(diǎn)是總有一相繞組通電，避免單三拍方式中瞬間所有繞組都不通電而導(dǎo)致的不穩(wěn)定現(xiàn)象。但是雙三拍方式下的步距角利單三拍的相同。上面的通斷順序相反將使得電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

(3)單雙六拍工作方式
　 控制脈沖使開關(guān)按Ti、TIT2、T2、T2T3、T3、T3Tl六個(gè)順序連續(xù)接通步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按A—AB—B-*BC—C-*CA—A-的順序輪流供電給定子繞組。參照?qǐng)D11. 25，很容易得到這種運(yùn)行方式下的步距角是前兩者的一半的結(jié)論。同樣，六拍控制順序的倒轉(zhuǎn)將使得電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

　　
永磁式與混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
　 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使定子脈沖電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。從原理分析可知，磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)不得少于三相，而永磁和混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最多的則是兩相。

　 圖11. 26左邊為永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子，右邊表示一個(gè)兩相永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理。永磁轉(zhuǎn)子步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有一個(gè)徑向充磁的轉(zhuǎn)子，磁極數(shù)可為2極至數(shù)十極。定子有2至4個(gè)定子段，每段有一個(gè)雙繞線圈，即用雙線繞法一次繞制兩個(gè)線圈。兩個(gè)線圈的公共點(diǎn)引出接至供電電源的正端或負(fù)端，各線圈的另一端通過開關(guān)器件控制其通電與否。該電機(jī)有一個(gè)兩極的轉(zhuǎn)子和兩個(gè)定子段。下面按拍來分析電機(jī)的工作過程。

　 在第1拍中S．和S。閉合，電流通過繞組形成的定子磁場(chǎng)極性和轉(zhuǎn)子的位置均如圖11. 26所示，轉(zhuǎn)子上的箭頭指向位置1。
　 在下面的3拍中開關(guān)閉合的順序分別是S2一S3、S2一S4和S4一S1，每拍中改變一個(gè)定子的磁場(chǎng)極性，經(jīng)分析可以看到每拍轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90。，箭頭依次指向2、3、4，四拍完成一個(gè)循環(huán)。

　 在這種結(jié)構(gòu)中定子每相有兩個(gè)繞組，并且只能通過一個(gè)方向的電流，這種驅(qū)動(dòng)方式叫單極性驅(qū)動(dòng)。如果每相只用一個(gè)繞組，在電路設(shè)計(jì)中使得繞組中電流可以反向流動(dòng)，同樣可以實(shí)現(xiàn)上述的使定子磁場(chǎng)改變極性的結(jié)果，這種驅(qū)動(dòng)方式叫雙極性驅(qū)動(dòng)。

　這種原理性的永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為90。，實(shí)際的永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)改變?cè)O(shè)計(jì)，采用多極定子和轉(zhuǎn)子，得到小得多的步距角。

　目前和磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一樣得到廣泛應(yīng)用的是一種也采用永磁轉(zhuǎn)子的混合式（感應(yīng)子式）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，所以叫混合式是因?yàn)檫@種電動(dòng)機(jī)是在永磁和變磁阻的共同作用下工作的。

　 圖11. 27左邊給出混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的軸向剖面圖。定子鐵心的齒槽與磁阻式電動(dòng)機(jī)相同，和永磁式電動(dòng)機(jī)一樣配置有雙繞組或單繞組，分別適用于單極性驅(qū)動(dòng)或雙極性驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)子中含有一個(gè)軸向磁化的永磁體，這個(gè)永磁體產(chǎn)生一個(gè)單向磁場(chǎng)，磁路通過轉(zhuǎn)子、氣隙和定子閉合。由軟磁材料制作的兩段轉(zhuǎn)子分別被永磁體磁化為N極和S極，A-A和B-B截面分別表示了S段和N段轉(zhuǎn)子。圖中可以看到兩段轉(zhuǎn)子具有相同的齒數(shù)，但是錯(cuò)開半個(gè)齒距。

　下面利用圖11. 28進(jìn)一步說明混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理。圖中的電動(dòng)機(jī)定子有4個(gè)沿圓周均勻分布的齒，線圈繞制在齒上且成對(duì)連接。具有不同極性的兩段轉(zhuǎn)子各有3個(gè)齒。圖中以實(shí)線表示S段，以虛線表示N段，兩段轉(zhuǎn)子交錯(cuò)半個(gè)齒距。

　 當(dāng)繞組中不通電流時(shí)，因?yàn)檗D(zhuǎn)子中的永磁體總是試圖減少磁路中的磁阻，轉(zhuǎn)子將趨向有限的若干位置，直至N極和S極轉(zhuǎn)子上各有一齒與定子磁極對(duì)齊。對(duì)于圖中的電機(jī)來說，這樣的位置有12個(gè)。將轉(zhuǎn)子保持在這些位置上的轉(zhuǎn)矩通常不大，稱之為維持轉(zhuǎn)矩。

　　 如果如圖11. 28(a)那樣有電流通過一相繞組，在定子上產(chǎn)生的N極和S極將吸引異性轉(zhuǎn)子段上的齒，在這種情況下，只有和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)一樣的3個(gè)穩(wěn)定位置，將轉(zhuǎn)子從定位位置上拉開的轉(zhuǎn)矩要大得多，稱為鎖定轉(zhuǎn)矩。

　將通電方式由圖(a)切換至圖(b)，定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過90。，并將吸引另一對(duì)齒，結(jié)果轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了30。，相當(dāng)于一個(gè)整步。在從圖(b)到圖(c)中，勵(lì)磁又回到前一繞組，但是電流方向相反，可使轉(zhuǎn)子再前進(jìn)一整步。在圖(d)中再使第二相繞組電流反向又可前進(jìn)一步。這樣轉(zhuǎn)子就走過了一個(gè)齒距。步驟從圖(d)后再回到圖(a)，如此反復(fù)，形成電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)需要12步。顯然，以相反的順序激勵(lì)定子繞組，電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。

　通常定子的小齒以不同于轉(zhuǎn)子的齒距均勻分布，在齒數(shù)較多的電動(dòng)機(jī)中（如圖11. 27），定子和轉(zhuǎn)子的齒距排列使得只有轉(zhuǎn)子對(duì)面的兩個(gè)齒與兩個(gè)相距180。的定子齒完全對(duì)齊。同時(shí)，相距90。機(jī)械角處的定轉(zhuǎn)子齒則完全錯(cuò)開。對(duì)于這樣結(jié)構(gòu)的混合式電動(dòng)機(jī)，可用如下的公式計(jì)算其每轉(zhuǎn)步數(shù)N=┃NrNs/(Ns-Nr)┃

其中，N為每轉(zhuǎn)步數(shù)；Nr和Ns分別是轉(zhuǎn)子和定子的齒數(shù)。對(duì)于圖11.27中的例子，Nr和Ns分別是8和10，則可計(jì)算出這種電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)40步，步距角為9。。