四相步進(jìn)電機(jī)有哪些驅(qū)動程序及電路？

步進(jìn)電機(jī)(stepping motor),步進(jìn)電機(jī)(step motor)，或者是脈沖電機(jī)(pulse motor)，其它的如(stepper motor)等……有著各式各樣的稱呼方式，這些用日本話來表示的時(shí)候，就成為階動電動機(jī)，還有，階動就是一步一步階段動作的意思，這各用另外一種語言來表示時(shí)，就是成為步進(jìn)驅(qū)動的意思，總之，就是輸入一個(gè)脈沖就會有一定的轉(zhuǎn)角，分配轉(zhuǎn)軸變位的電動機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)簡介：步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制組件。 在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號， 電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。 這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。 單相步進(jìn)電機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進(jìn)電機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。使用多相步進(jìn) 電機(jī)時(shí)，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)繞組。每輸入一個(gè)脈沖到脈沖分配器，電機(jī)各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度(稱為步距角)。正常情況下，步進(jìn) 電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比;連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。在非超載的情況下， 電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。

本文將從兩相單極步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路，兩相單極步進(jìn)電機(jī)的兩相勵(lì)磁PWM驅(qū)動波形兩個(gè)方面來介紹“兩相單極步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動”。如欲了解有關(guān)雙極步進(jìn)電機(jī)和單極步進(jìn)電機(jī)之間差異的更多信息，請參考這里。

兩相單極步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路

與兩相雙極步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路相比，兩相單極步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路在輸入段配置、內(nèi)部邏輯及控制電路和驅(qū)動電路使用雙通道方面基本相同，但是輸出段的配置不同。兩相雙極步進(jìn)電機(jī)使用雙通道H橋來驅(qū)動，而兩相單極步進(jìn)電機(jī)則使用雙通道的2個(gè)開關(guān)(MOSFET)來驅(qū)動。

在下面的電路圖示例中，Q12和Q14、Q22和Q24是成對的。這是因?yàn)?，只要使電流從提供給各線圈中心抽頭的電源沿一定方向流動，就可以驅(qū)動兩相單極步進(jìn)電機(jī)。電流從中心抽頭流向開關(guān)(MOSFET)處于導(dǎo)通狀態(tài)的OUT引腳。

兩相單極步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動：

兩相勵(lì)磁PWM驅(qū)動波形

下面是兩相單極步進(jìn)電機(jī)的兩相勵(lì)磁PWM驅(qū)動波形示例。請看輸入信號與輸出電壓/電流之間的關(guān)系。

應(yīng)該注意的是，當(dāng)驅(qū)動兩相單極步進(jìn)電機(jī)時(shí)，輸出OFF時(shí)會產(chǎn)生瞬態(tài)電壓;由于其結(jié)構(gòu)上的原因，變壓器耦合會產(chǎn)生反電動勢。以O(shè)UT11和OUT12的電壓波形為例，在OUT11關(guān)斷的瞬間，會產(chǎn)生輸出電壓波動超過2×VM(供給中心抽頭的電機(jī)電壓電源)的瞬態(tài)電壓，由于OUT12再生電流的變壓器耦合而回落至2xVM。當(dāng)OUT11關(guān)斷時(shí)，由于OUT11的電流再生，OUT12波動到GND以下;當(dāng)OUT11導(dǎo)通時(shí)，通過變壓器耦合，OUT11的電流變?yōu)?×VM，并反復(fù)上述過程。因此，需要對電機(jī)驅(qū)動器的耐壓進(jìn)行考量。

直流電機(jī)的類型

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，自動控制系統(tǒng)，電子儀器設(shè)備、家用電器、電子玩具等等方面，直流電機(jī)都得到了廣泛的應(yīng)用。大家熟悉的錄音機(jī)、電唱機(jī)、錄相機(jī)、電子計(jì)算機(jī)等，都不能缺少直流電機(jī)。所以直流電機(jī)的控制是一門很實(shí)用的技術(shù)。本文將詳細(xì)介紹各種直流電機(jī)的控制技術(shù)。

直流電機(jī)，大體上可分為四類：

第一類為有幾相繞組的步進(jìn)電機(jī)。這些步進(jìn)電機(jī)，外加適當(dāng)?shù)男蛄忻}沖，可使主軸轉(zhuǎn)動一個(gè)精密的角度(通常在1.8°--7.5°之間)。只要施加合適的脈沖序列，電機(jī)可以按照人們的預(yù)定的速度或方向進(jìn)行連續(xù)的轉(zhuǎn)動。

步進(jìn)電機(jī)用微處理器或?qū)Ｓ貌竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動集成電路，很容易實(shí)現(xiàn)控制。例如常用的SAAl027或SAAl024專用步進(jìn)電機(jī)控制電路。

步進(jìn)電機(jī)廣泛用于需要角度轉(zhuǎn)動精確計(jì)量的地方。例如：機(jī)器人手臂的運(yùn)動，高級字輪的字符選擇，計(jì)算機(jī)驅(qū)動器的磁頭控制，打印機(jī)的字頭控制等，都要用到步進(jìn)電機(jī)。

第二類為永磁式換流器直流電機(jī)，它的設(shè)計(jì)很簡單，但使用極為廣泛。當(dāng)外加額定直流電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速幾乎相等。這類電機(jī)用于錄音機(jī)、錄相機(jī)、唱機(jī)或激光唱機(jī)等固定轉(zhuǎn)速的機(jī)器或設(shè)備中。也用于變速范圍很寬的驅(qū)動裝置，例如：小型電鉆、模型火車、電子玩具等。在這些應(yīng)用中，它借助于電子控制電路的作用，使電機(jī)功能大大加強(qiáng)。

第三類是所謂的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)是自動裝置中的執(zhí)行元件，它的最大特點(diǎn)是可控。在有控制信號時(shí)，伺服電機(jī)就轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)速大小正比于控制電壓的大小，除去控制信號電壓后，伺服電機(jī)就立即停止轉(zhuǎn)動。伺服電機(jī)應(yīng)用甚廣，幾乎所有的自動控制系統(tǒng)中都需要用到。例如測速電機(jī)，它的輸出正比于電機(jī)的速度;或者齒輪盒驅(qū)動電位器機(jī)構(gòu)，它的輸出正比于電位器移動的位置.當(dāng)這類電機(jī)與適當(dāng)?shù)墓β士刂品答伃h(huán)配合時(shí)，它的速度可以與外部振蕩器頻率精確鎖定，或與外部位移控制旋鈕進(jìn)行鎖定。

唱機(jī)或激光唱機(jī)的轉(zhuǎn)盤常用伺服電機(jī)。天線轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，遙控模型飛機(jī)和艦船也都要用到伺服電機(jī)。

最后一類為兩相低電壓交流電機(jī)。這類電機(jī)通常是直流電源供給一個(gè)低頻振蕩器，然后再用低頻低壓的交流去驅(qū)動電機(jī)。這類電機(jī)偶爾也用在轉(zhuǎn)盤驅(qū)動機(jī)構(gòu)中。

電機(jī)工作原理

1. 步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理

步進(jìn)電機(jī)有兩種基本的形式：可變磁阻型和混和型。步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理，結(jié)合圖1的結(jié)構(gòu)示意圖進(jìn)行敘述。

圖1是一種四相可變磁阻型的步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。這種電機(jī)定子上有八個(gè)凸齒，每一個(gè)齒上有一個(gè)線圈。線圈繞組的連接方式，是對稱齒上的兩個(gè)線圈進(jìn)行反相連接，如圖中所示。八個(gè)齒構(gòu)成四對，所以稱為四相步進(jìn)電機(jī)。

它的工作過程是這樣的：當(dāng)有一相繞組被激勵(lì)時(shí)，磁通從正相齒，經(jīng)過軟鐵芯的轉(zhuǎn)子，并以最短的路徑流向負(fù)相齒，而其他六個(gè)凸齒并無磁通。為使磁通路徑最短，在磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)迫移動，使最近的一對齒與被激勵(lì)的一相對準(zhǔn)。在圖1(a)中A相是被激勵(lì)，轉(zhuǎn)子上大箭頭所指向的那個(gè)齒，與正向的A齒對準(zhǔn)。從這個(gè)位置再對B相進(jìn)行激勵(lì)，如圖1中的(b)，轉(zhuǎn)子向反時(shí)針轉(zhuǎn)過15°。若是D相被激勵(lì)，如圖1中的(c)，則轉(zhuǎn)子為順時(shí)針轉(zhuǎn)過15°。下一步是C 相被激勵(lì)。因?yàn)镃相有兩種可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一種為反時(shí)針轉(zhuǎn)動;另一種為順時(shí)針轉(zhuǎn)動。但每步都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動15°。電機(jī)步長(步距角)是步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)之一，不同的應(yīng)用場合，對步長大小的要求不同。改變控制繞組數(shù)(相數(shù))或極數(shù)(轉(zhuǎn)子齒數(shù))，可以改變步長的大小。它們之間的相互關(guān)系，可由下式計(jì)算：

Lθ=360 P×N

式中：Lθ為步長;P為相數(shù);N為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。在圖1中，步長為15°，表示電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要24步。

2. 混和步進(jìn)電機(jī)的工作原理

在實(shí)際應(yīng)用中，最流行的還是混和型的步進(jìn)電機(jī)。但工作原理與圖1所示的可變磁阻型同步電機(jī)相同。但結(jié)構(gòu)上稍有不同。例如它的轉(zhuǎn)子嵌有永磁鐵。激勵(lì)磁通平行于X軸。一般來說，這類電機(jī)具有四相繞組，有八個(gè)獨(dú)立的引線終端，如圖2a所示。或者接成兩個(gè)三端形式，如圖2b所示。每相用雙極性晶體管驅(qū)動，并且連接的極性要正確。

圖3所示的電路為四相混和型步進(jìn)電機(jī)晶體管驅(qū)動電路的基本方式。它的驅(qū)動電壓是固定的。表1列出了全部步進(jìn)開關(guān)的邏輯時(shí)序。