關于步進電機①

步進電機也叫步進器，它利用電磁學原理，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，人們早在20世紀20年代就開始使用這種電機。隨著嵌入式系統(tǒng)(例如打印機、磁盤驅(qū)動器、玩具、雨刷、震動尋呼機、機械手臂和錄像機等)的日益流行，步進電機的使用也開始暴增。不論在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、汽車還是娛樂業(yè)中，只要需要把某件物體從一個位置移動到另一個位置，步進電機就一定能派上用場。步進電機有許多種形狀和尺寸，但不論形狀和尺寸如何，它們都可以歸為兩類：可變磁阻步進電機和永磁步進電機。本文重點討論更為簡單也更常用的永磁步進電機。

步進電機的構造

如圖1所示，步進電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線圈驅(qū)動的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。如果線圈中電流的流向如圖1所示，并且我們從電機頂部向下看齒槽的頂部，那么電流在繞兩個齒槽按逆時針流向流動。根據(jù)安培定律和右手準則，這樣的電流會產(chǎn)生一個北極向上的磁場。

圖1 具有雙齒槽的單繞組的定子

現(xiàn)在假設我們構造一個定子上纏繞有兩個繞組的電機，內(nèi)置一個能夠繞中心任意轉(zhuǎn)動的永久磁鐵，這個可旋轉(zhuǎn)部分叫做轉(zhuǎn)子。圖2給出了一種簡單的電機，叫做雙相雙極電機，因為其定子上有兩個繞組，而且其轉(zhuǎn)子有兩個磁極。

圖2 雙相雙極電機

如果我們按圖2a所示方向給繞組1輸送電流，而繞組2中沒有電流流過，那么電機轉(zhuǎn)子的南極就會自然地按圖中所示，指向定子磁場的北極。再假設我們切斷繞組1中的電流，而按圖2b所示方向給繞組2輸送電流，那么定子的磁場就會指向左側(cè)，而轉(zhuǎn)子也會隨之旋轉(zhuǎn)，與定子磁場方向保持一致。接著，我們再將繞組2的電流切斷，按照圖2c的方向給繞組1輸送電流，注意：這時繞組1中的電流流向與圖2a所示方向相反。于是定子的磁場北極就會指向下，從而導致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其南極也指向下方。然后我們又切斷繞組1中的電流，按照圖2d所示方向給繞組2輸送電流，于是定子磁場又會指向右側(cè)，從而使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其南極也指向右側(cè)。最后，我們再一次切斷繞組2中的電流，并給繞組1輸送如圖2a所示的電流，這樣，轉(zhuǎn)子又會回到原來的位置。至此，我們對電機繞組完成了一個周期的電激勵，電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一整圈。也就是說，電機的電頻率等于它轉(zhuǎn)動的機械頻率。如果我們用1秒鐘順序完成了圖2所示的這4個步驟，那么電機的電頻率就是1Hz。其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一周，因而其機械頻率也是1Hz。總之，一個雙相步進電機的電頻率和機械頻率之間的關系可以用下式表示：fe=fm*P/2 (1)其中，fe代表電機的電頻率，fm代表其機械頻率，而P則代表電機轉(zhuǎn)子的等距磁極數(shù)。從圖2中我們還可以看出，每一步操作都會使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90°，也就是說，一個兩相步進電機每一步操作造成的旋轉(zhuǎn)度數(shù)可由下式表示：1 step= 180°/P (2)由等式(2)可知，一個雙極電機每動作一次可以旋轉(zhuǎn)180°/2=90°，這與我們在圖2中看到的情形正好相符。此外，該等式還表明，電機的磁極數(shù)越多，步進精度就越高。常見的是磁極數(shù)在12和200個之間的雙相步進電機，這些電機的步進精度在15°和 0.9°之間。圖3給出的例子是一個雙相六極步進電機，其中包含3個永久磁鐵，因而有6個磁極。

圖3 雙相六級電機

第一步，如圖3a所示，我們給繞組1施加電壓，在定子中產(chǎn)生一個北極指向其頂部的磁場，于是，轉(zhuǎn)子的南極(圖3a中紅色的“S”一端)轉(zhuǎn)向了該圖的上方。接著，在圖3b中，我們給繞組2施加電壓，定子中產(chǎn)生一個北極指向其左側(cè)的磁場。于是，轉(zhuǎn)子的一個距離最近的南極轉(zhuǎn)向了圖的左方，即轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動了30°。第三步，在圖3c中，我們又向繞組1施加一個電壓，在定子中產(chǎn)生一個北極指向圖下方的磁場，從而又使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)30°到達圖3c所示的位置。而在圖3d中，我們給繞組2施加電壓，在定子中產(chǎn)生一個北極指向定子右側(cè)的磁場，再一次使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)30°，到達圖3d所示的位置。最后，我們再向繞組1施加電壓，產(chǎn)生一個如圖3a所示的北極指向定子上方的磁場，使得轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)30°，結(jié)束一個電周期。如此可以看出，4步電激勵造成了120°的機械旋轉(zhuǎn)。也就是說，該電機的電頻率是機械頻率的3倍這一結(jié)果符合等式(1)。此外，我們從圖3和等式(2)也能看出，該電機的轉(zhuǎn)子每一步旋轉(zhuǎn)30°。如果同時向兩個繞組輸送電流，還能增大電機的扭矩，如圖4所示。這時，電機定子的磁場是兩個繞組各自產(chǎn)生的磁場的矢量和，雖然這一磁場每一次動作仍然只使電機旋轉(zhuǎn)90°，就象圖2和圖3中一樣，但因為我們同時激勵兩個電機繞組，所以此時的磁場比單獨激勵一個繞組時更強。由于該磁場是兩個垂直場的矢量和，因此它等于單獨每個場的2×1.414倍，從而電機對其負載施加的扭矩也成正比增大。