两相混合式步进电机及其驱动技术-最终版.

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5）实际电机的工作原理
A

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7百度文库

A B
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B
N
SS i
N
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5 定子 转子
图6-4 线圈1、5、3、7串联组成A相绕组；线 圈2、6、4、8串联组成B相绕组。 每一相四个绕组的绕线方向不同，通电 后每个绕组所在定子磁极的极性不同。 假定线圈1、5所在的磁极为N极，则线 圈3、7所在的磁极为S极。
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三种类型的步进电机



永磁式步进电机（Permanent magnet motors，PM) 变磁阻步进电机(Variable Reluctance，VR)或称反应 式步进电机； 混合式步进电动机(Hybrid，HB)
定子绕组相数可分为两相、三相、四相、五相等。 两相混合式步进电机在工业上应用最为广泛。
4）单、双八拍工作方式
ia
A AB B BA A AB B BA
t
ib
t 图 6-10 A AB B BA A AB B BA
图6-9

在单四拍工作方式基础上，在每两个单拍之间插入一个 双拍工作状态，就成为单、双八拍工作方式。 交替使一个线圈和两个线圈通电，每一步转子旋转1/8齿 距即15度，经过这8拍以后，转子转过一个齿距120度。 10 旋转一周需24步。
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2. 两相混合式步进电机工作原理
每转12步的模型电机
N
SS i
N
图6-4




定子上有四个绕有线圈的磁极（齿），相对磁极的线圈 组成 两相绕组。 转子由两段永磁体组成，一段呈N极性，一段呈S极性。 每段永磁体有3个齿，齿距为120度，N极齿和S极齿彼此 错开 1/2齿距。 由于同一相绕组两个线圈绕线的方向相反，通过同一电流时 所 产 生的磁场方向也相反。 电流从相反方向流过同一相绕组产生的磁场方向也相反。6
初始状态，A相通电产生保持力矩； B相通电，定子磁场旋转90度，吸引转子旋转1/4齿距（30度）； /A 相通电、 /B相、 A相通电定子磁场各旋转90度，各吸引转子 旋转1/4齿距（30度）； 4步一个循环后共转过一个齿距120度，12步后转子旋转一周。 8
图6-5
3）双四拍工作状态
ia
AB
BA
3.5 两相混合式步进电机 及其驱动技术 stepping motor, stepper
1. 两相混合式步进电机结构
2. 两相混合式步进电机工作原理 3. 两相混合式步进电机驱动技术 4. 两相混合式步进电机的主要特性和技术指标
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前面讲述的各种伺服电机必须通过闭环实现位置伺 服。 而步进电机在开环状态就能实现精确的位置控制。 开环较之闭环有如下好处： 结构简单，例如省去位置传感器及其信号处理电路。 没有控制参数设计及其调试的问题。 不存在稳定性问题。 接线简单。
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5）微步距工作方式
ia
t
ia
t


在双四拍工作方式中，当两相绕组通以相等的电流时，电机 转子停在一个中间的位置。如果两相绕组电流不等，转子位 置将朝电流大的定子极方向偏移。 利用这个现象我们可使电机工作在微步距方式：将两相绕组 中的电流分别按正弦和余弦的轮廓呈阶梯式变化。则每个整 步距就分成了若干微步距。
1）不通电状态


在绕组不通电时，由于磁通总是沿磁阻最小的路径通过， 磁通从N极性转子经定子极回到S极性转子。 由于转子磁场的吸引作用，当外力力图使轴转动时，会有 一个反向力矩阻止这种转动，称为自锁（detent)力矩。
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2）单四拍工作状态
ia
A B
A B
t
ib
t 图6-6
A B A B

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定子磁极上有40个（或48个）齿，齿距为7.2° 两段转子铁心上各有50小齿，齿距为7.2°，但两段转子的 小齿相互错开1/2齿距 定子齿和转子齿齿距相等。。
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模型电机和实际电机的比较
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5 定子 转子
模型电机 转子齿数 3 转子齿距 120度 每整步 1/4齿距30度 每半步 1/8齿距15度 整步一周节拍数 12
实际电机 50 7.2度 1/4齿距1.8度 1/8齿距0.9度 200
图6-1
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3. 步进电机驱动技术

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1. 两相混合式步进电机结构
A

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A B
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B



电机的定子上有八个绕有线圈的铁心磁极； 八个线圈串接成A、B两相绕组； 每个定子磁极边缘有多个小齿，一般多为五或六齿。
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转子由两段有齿环形转子铁心、装在转子铁心内部的环形 磁钢及轴承、轴组成。 将环形磁钢沿轴向充磁，两段转子铁心的一端呈N极性， 另一端呈S极性，分别称之为N段转子和S段转子。 转子铁心的边缘加工有小齿，一般为50个，齿距为7.2°。 两段转子的小齿相互错开1/2齿距。
ia
A AB B BA A AB B BA
ia
A AB B BA A AB B BA
t
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ib
ib
t 图6-10

t 图6-11
单、双八拍工作方式的缺点是产生“强、弱步”的现象， 可利用的力矩被弱步力矩所限制，力矩的波动较大。 为了消除“强、弱步”现象，并使电机按强步力矩输出， 可以在弱步时绕组通以两倍的电流，对弱步力矩进进补偿。 因为步距小，电机运行将更平稳。
AB
BA
t
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t 图6-8 AB BA AB BA
图6-7

初始状态， A相、B相同时通电，由于两个定子齿的吸引，转子 移动1/8齿距15度，停在一个中间的位置； B/A相通电，定子磁场旋转90度吸引转子旋转1/4齿距30度； /A/B、/BA、AB各相通电，定子磁场各旋转90度，各吸引转子 旋转1/4齿距30度； 4步一个循环后共转过一个齿距120度， 12步后转子旋转一周； 9 因为两个线圈同时通电，产生的力矩比单四拍要大。
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一般称单四拍和双四拍工作方式为整步距方式； 单、双八拍工作方式为半步距方式。 步进电机中定子磁场和转子磁场的相互作用产生 转矩： 定子磁势IW（安匝），I为相电流，W为绕组匝 数。 转子磁势是由转子磁钢产生的，它是一个常数。 所以当定子线圈匝数、转子磁钢磁性能及定、 转子铁心材料、尺寸已确定的情况下，电机产生 的力矩由定子绕组电流决定。