1、步進電動機的工作原理
圖1 三相反應式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖
1——定子 2——轉(zhuǎn)子 3——定子繞組{{分頁}}
圖1是最常見的三相反應式步進電動機的剖面示意圖。電機的定子上有六個均布的磁極，其夾角是60º。各磁極上套有線圈，按圖1連成a、b、c三相繞組。轉(zhuǎn)子上均布40個小齒。所以每個齒的齒距為θe=360º/40=9º，而定子每個磁極的極弧上也有5個小齒，且定子和轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬均相同。由于定子和轉(zhuǎn)子的小齒數(shù)目分別是30和40，其比值是一分數(shù)，這就產(chǎn)生了所謂的齒錯位的情況。若以a相磁極小齒和轉(zhuǎn)子的小齒對齊，如圖1，那么b相和c相磁極的齒就會分別和轉(zhuǎn)子齒相錯三分之一的齒距，即3º。因此，b、c極下的磁阻比a磁極下的磁阻大。若給b相通電，b相繞組產(chǎn)生定子磁場，其磁力線穿越b相磁極，并力圖按磁阻最小的路徑閉合，這就使轉(zhuǎn)子受到反應轉(zhuǎn)矩（磁阻轉(zhuǎn)矩）的作用而轉(zhuǎn)動，直到b磁極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對齊，恰好轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過3º；此時a、c磁極下的齒又分別與轉(zhuǎn)子齒錯開三分之一齒距。接著停止對b相繞組通電，而改為c相繞組通電，同理受反應轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)子按順時針方向再轉(zhuǎn)過3º。依次類推，當三相繞組按a→b→c→a順序循環(huán)通電時，轉(zhuǎn)子會按順時針方向，以每個通電脈沖轉(zhuǎn)動3º的規(guī)律步進式轉(zhuǎn)動起來。若改變通電順序，按a→c→b→a順序循環(huán)通電，則轉(zhuǎn)子就按逆時針方向以每個通電脈沖轉(zhuǎn)動3º的規(guī)律轉(zhuǎn)動。因為每一瞬間只有一相繞組通電，并且按三種通電狀態(tài)循環(huán)通電，故稱為單三拍運行方式。單三拍運行時的步矩角θb為30º。三相步進電動機還有兩種通電方式，它們分別是雙三拍運行，即按ab→bc→ca→ab順序循環(huán)通電的方式，以及單、雙六拍運行，即按a→ab→b→bc→c→ca→a順序循環(huán)通電的方式。六拍運行時的步矩角將減小一半。反應式步進電動機的步距角可按下式計算：
θb=360º/ner (1)
式中 er——轉(zhuǎn)子齒數(shù)；
n——運行拍數(shù)，n=km，m為步進電動機的繞組相數(shù)，k=1或2。
2、步進電動機的驅(qū)動方法
步進電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅(qū)動器，如圖2所示，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。圖中點劃線所包圍的二個單元可以用微機控制來實現(xiàn)。驅(qū)動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口，這里予以簡單介紹。
圖2 步進電動機驅(qū)動控制器
1.單電壓功率驅(qū)動接口
實用電路如圖3所示。在電機繞組回路中串有電阻rs，使電機回路時間常數(shù)減小，高頻時電機能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡單單電壓驅(qū)動線路中，rs是不可缺少的。rs對步進電動機單步響應的改善如圖3(b)。{{分頁}}
圖3 單電壓功率驅(qū)動接口及單步響應曲線
圖4 雙電壓功率驅(qū)動接口
2.雙電壓功率驅(qū)動接口
雙電壓驅(qū)動的功率接口如圖4所示。雙電壓驅(qū)動的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓ul驅(qū)動，而在高速（高頻段）時用較高的電壓uh驅(qū)動。這種功率接口需要兩個控制信號，uh為高壓有效控制信號，u為脈沖調(diào)寬驅(qū)動控制信號。圖中，功率管th和二極管dl構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當uh低電平，th關斷，dl正偏置，低電壓ul對繞組供電。反之uh高電平，th導通，dl反偏，高電壓uh對繞組供電。這種電路可使電機在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時功耗減小。
3.高低壓功率驅(qū)動接口
圖5 高低壓功率驅(qū)動接口
高低壓功率驅(qū)動接口如圖5所示。高低壓驅(qū)動的設計思想是，不論電機工作頻率如何，均利用高電壓uh供電來提高導通相繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓ul來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻rs，消除了附加損耗。高低壓驅(qū)動功率接口也有兩個輸入控制信號uh和ul，它們應保持同步，且前沿在同一時刻跳變，如圖5所示。圖中，高壓管vth的導通時間tl不能太大，也不能太小，太大時，電機電流過載；太小時，動態(tài)性能改善不明顯。一般可取1~3ms。（當這個數(shù)值與電機的電氣時間常數(shù)相當時比較合適）。{{分頁}}
4.斬波恒流功率驅(qū)動接口
恒流驅(qū)動的設計思想是，設法使導通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時均保持固定數(shù)值。使電機具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性。這是目前使用較多、效果較好的一種功率接口。圖6是斬波恒流功率接口原理圖。圖中r是一個用于電流采樣的小阻值電阻，稱為采樣電阻。當電流不大時，vt1和vt2同時受控于走步脈沖，當電流超過恒流給定的數(shù)值，vt2被封鎖，電源u被切除。由于電機繞組具有較大電感，此時靠二極管vd續(xù)流，維持繞組電流，電機靠消耗電感中的磁場能量產(chǎn)生出力。此時電流將按指數(shù)曲線衰減，同樣電流采樣值將減小。當電流小于恒流給定的數(shù)值，vt2導通，電源再次接通。如此反復，電機繞組電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上，形成小小的鋸齒波，如圖6所示。
圖6 斬波恒流功率驅(qū)動接口
斬波恒流功率驅(qū)動接口也有兩個輸入控制信號，其中u1是數(shù)字脈沖，u2是模擬信號。這種功率接口的特點是：高頻響應大大提高，接近恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，共振現(xiàn)象消除，但線路較復雜。目前已有相應的集成功率模塊可供采用。
5.升頻升壓功率驅(qū)動接口
為了進一步提高驅(qū)動系統(tǒng)的高頻響應，可采用升頻升壓功率驅(qū)動接口。這種接口對繞組提供的電壓與電機的運行頻率成線性關系。它的主回路實際上是一個開關穩(wěn)壓電源，利用頻率-電壓變換器，將驅(qū)動脈沖的頻率轉(zhuǎn)換成直流電平，并用此電平去控制開關穩(wěn)壓電源的輸入，這就構(gòu)成了具有頻率反饋的功率驅(qū)動接口。
6.集成功率驅(qū)動接口
目前已有多種用于小功率步進電動機的集成功率驅(qū)動接口電路可供選用。
l298芯片是一種h橋式驅(qū)動器，它設計成接受標準ttl邏輯電平信號，可用來驅(qū)動電感性負載。h橋可承受46v電壓，相電流高達2.5a。l298(或xq298，sgs298)的邏輯電路使用5v電源，功放級使用5~46v電壓，下橋發(fā)射極均單獨引出，以便接入電流取樣電阻。l298(等)采用15腳雙列直插小瓦數(shù)式封裝，工業(yè)品等級。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。h橋驅(qū)動的主要特點是能夠?qū)﹄姍C繞組進行正、反兩個方向通電。l298特別適用于對二相或四相步進電動機的驅(qū)動。{{分頁}}
圖7 l298原理框圖
與l298類似的電路還有ter公司的3717，它是單h橋電路。sgs公司的sg3635則是單橋臂電路，ir公司的ir2130則是三相橋電路，allegro公司則有a2916、a3953等小功率驅(qū)動模塊。
圖8是使用l297(環(huán)形分配器專用芯片)和l298構(gòu)成的具有恒流斬波功能的步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)。
圖8 專用芯片構(gòu)成的步進電動驅(qū)動系統(tǒng)