雙極性步進電機（上）：控制模式

步進電機具有獨特的開環(huán)位置控制性能，這使它在智能時代廣受歡迎。為確保步進電機在旋轉(zhuǎn)時輸出扭矩的平滑，需要考慮每個器件獨特的需求。而電機旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性則與其物理結(jié)構(gòu)和控制模式密切相關(guān)。 

本文將介紹雙極性步進電機及其結(jié)構(gòu)和控制模式。

雙極性步進電機的基本組件

步進電機屬于直無刷(BLDC) 電機，它按照等長的步進值逐步轉(zhuǎn)動。而雙極性步進電機則是每相都擁有一個繞組的步進電機，具體而言，為兩相四線步進電機。它由定子和轉(zhuǎn)子兩個主要部件組成（見圖 1）。 

圖1: 雙極性步進電機的結(jié)構(gòu)示意圖

定子

定子是電機的靜止部分。繞組繞在8個定子上，每個定子的磁芯上都有5個齒（見圖1）。

A 相的繞組從定子 1 開始，然后依次繞到定子 3、定子 5 和定子 7（見圖 2）。 注意，定子1和定子5的繞組方向相同，而定子3和定子7的繞組方向相同。這兩組繞組（定子 1 和定子 5，以及定子 3 和定子 7）的繞線方向相反。B相的繞組原理與之相同，其中定子4和定子8為一組，定子2和定子6為一組。 

圖2: 雙極性步進電機的繞組原理圖

轉(zhuǎn)子

通常轉(zhuǎn)子上貼有軸向充磁的永磁體。 圖 3 所示為轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。 

圖3: 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖4展示了轉(zhuǎn)子的側(cè)視截面圖。 

圖4：轉(zhuǎn)子側(cè)視截面圖

永磁體的磁力線在電機主體中形成閉合。由于磁力線和磁阻效應(yīng)，步進電機即使在不通電的情況下也有一定的鎖定力矩（見圖4）。

根據(jù)齒數(shù)和相位結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子共有50個齒與定子齒輪相對，步進角度為1.8度（見圖5）。步進角度定義為當(dāng)電氣周期完成90度時，步進電機轉(zhuǎn)子向前移動的機械角度。 

圖5: 1.8°步進角度

步進模式

將雙極性步進電機的結(jié)構(gòu)簡化可以更好地理解其控制方法（見圖6）。 

圖 6：雙極性步進電機的簡化示意圖

步進電機的定子和轉(zhuǎn)子可以被看作只有一個齒，這使步進電機的驅(qū)動方式不同于其他電機。這種方法稱為雙全橋驅(qū)動，其中 A 相繞組連接到第一個全橋驅(qū)動器，而 B 相繞組連接到第二個全橋驅(qū)動器（見圖 7）。

圖 7：雙全橋驅(qū)動器電路圖

雙極性步進電機具有三種控制模式：單相步進、整步步進和半步步進（見表 1）。

表1: 步進電機的控制模式

單相步進

當(dāng)電機按單相步進方式依次驅(qū)動A相和B相時，定子磁場發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子因極性吸引而轉(zhuǎn)動。表1中詳細描述了 A 相和 B 相 (AB) 的通電順序和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置。

單相步進過程具體包括三個步驟，如下所述：

1. A相被驅(qū)動時，驅(qū)動電流從Q1流向Q4。在此期間，定子 A 的上端在 N，下端在 S，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到位置 8（見圖 6）。

2. 接下來，B相被驅(qū)動，驅(qū)動電流從Q5流向Q8。定子 B 的一端在 S，另一端在 N，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到位置 2（見圖 6）。

3. 在接下來的兩個狀態(tài)中，轉(zhuǎn)子在循環(huán)啟動順序后開始旋轉(zhuǎn)。

圖 8 顯示了單相步進期間 AB 相的電流波形。

圖 8：AB 相的單相步進電流波形

整步步進

與單相步進不同，A 相和 B 相繞組在整步模式下將被同時驅(qū)動。另外還有四種對應(yīng)的通電模式和轉(zhuǎn)子電氣位置；其位置空間在電氣空間上不同于單相步進。 轉(zhuǎn)子可以根據(jù)器件的啟動順序旋轉(zhuǎn)。圖 9 顯示了 AB 相的整步電流波形。 

圖 9：整步（AB 相電流波形）

半步步進

在半步模式下，單相和整步步進共同工作，可以提供更多的電氣角度位置、更詳細的電流波形和更平滑的旋轉(zhuǎn)。

圖 10 顯示了單相到兩相操作的非循環(huán)半步模式。 這種模式在整步和半步之間交替生成 8 步序列。 

圖 10：非循環(huán)半步模式

結(jié)語

本文回顧了雙極性步進電機的基本組件（定子和轉(zhuǎn)子），及其三種主要的控制模式：單相步進、整步步進和半步步進。在下一篇文章中，我們將討論雙全橋驅(qū)動的微步進模式。

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