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2021.05.26 电机

步进电机:微步驱动原理

步进电机

步进电机可以通过被称为“微步”的驱动方法来实现更精细的步距角控制。在本文中将介绍其工作原理。

步进电机:微步驱动原理

在上一篇文章“步进电机的基本旋转原理”中,有一个两相双极线圈逐相励磁的示例。在该示例中,按步(使电流流经一组线圈中的一个而不流经另一个线圈)介绍了步进电机每旋转90°的原理。而微步驱动则可以使步进电机按照更精细的步距角旋转。

步进电机的微步驱动有优点主要有两个:一个是可以控制微小角度的位置。另一个是可以降低低速范围内的振动和噪声。步进电机在每一步都伴随着阻尼振动,最终停止在所定位置。也就是说,相对于停止位置经过多次向前过头和后退过头后最终完全停止。如果步进电机低速旋转,则这种阻尼振动可能会引起振动和噪声。通过减小步距角可以减少阻尼振动,通过微步驱动可以降低低速范围的振动和噪声。

接下来使用下图来介绍步进电机微步驱动的工作原理。该图是两相双极结构,按照简单的线圈切换,步距角应该为90°,但下图是将其均分为四的1/4微步驱动示例。当使电机按90°的1/4 = 22.5°旋转时,各线圈的电流和磁场如①~⑤的顺序所示。

  • ・使电流从线圈1的左侧流入,从线圈1的右侧流出。
  • ・勿使电流流过线圈2。
  • ・此时,左线圈1的内侧变为N,右线圈1的内侧变为S。
  • ・中间的永磁体* 被线圈1的磁场吸引,变为左侧S和右侧N的状态并停止。
  • ・假设当线圈电流为Io时,产生的磁场大小为M0。
    * 为了避免图片过于繁杂,未在①~⑤的图中表现出来,具体请参考右图。
  • ・若要使之从①顺时针旋转22.5°(90°的1/4),需要保持磁场强度M0并产生使永磁体在相应位置停止的磁场。
  • ・要实现这个目标,只要使线圈1产生M0×cos(22.5°)≒M0×0.924的磁场,使线圈2产生M0×sin(22.5°)≒M0×0.383的磁场即可。
  • ・为此,需要将线圈1的电流控制为Io×cos(22.5°)≒Io×0.924,将线圈2的电流控制为Io×sin(22.5°)≒Io×0.383。
  • ・若要再向前旋转22.5°(即从①顺时针旋转45°),需要产生相应的磁场M0。
  • ・要实现这个目标,只要使线圈1产生M0×cos(45°)≒M0×0.707的磁场,使线圈2产生M0×sin(45°)≒M0×0.707的磁场即可。
  • ・为此,需要将线圈1的电流控制为Io×cos(45°)≒Io×0. 707,将线圈2的电流控制为Io×sin(45°)≒Io×0.707。
  • ・若要再向前旋转22.5°(即从①向前旋转67.5°),同样需要产生相应的M0。
  • ・要实现这个目标,只要使线圈1产生M0×cos(67.5°)≒M0×0.383的磁场,使线圈2产生M0×sin(67.5°)≒M0×0.924的磁场即可。
  • ・为此,需要将线圈1的电流控制为Io×cos(67.5°)≒Io×0.383,将线圈2的电流控制为Io×sin(67.5°)≒Io×0.924。
  • ・若要再向前旋转22.5°(即从①旋转90°),需要使电流Io通过线圈2,并使线圈1中的电流为0。

如上所述,磁场的大小恒定、根据角度控制流过各线圈的电流来形成磁场、并通过任意步距使转子旋转和停止的工作称为“微步驱动工作”。

该图是将90°均分为四的1/4步进的步进电机的驱动示例,不过目前已经可以实现1/32步进驱动。如前所述,步进电机通过微步驱动可进行微小角度位置控制并减少噪声和振动。

关键要点:

・步进电机可以通过微步驱动来实现更精细的步距角控制。

・步进电机使用微步驱动的优点是可以进行微小角度的位置控制,并且可以减少步进电机的低速范围的振动和噪声。

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