步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件,。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸入量是脈沖序列，輸出量則為相應(yīng)的增量位移或步進(jìn)運(yùn)動(dòng),。正常運(yùn)動(dòng)情況下,，它每轉(zhuǎn)一周具有固定的步數(shù)；做連續(xù)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí),，其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系,，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接受數(shù)字量的控制,，所以特別適宜采用微機(jī)進(jìn)行控制,。

1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類

　　目前常用的有三種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：

　　(1)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(VR)。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，生產(chǎn)成本低,，步距角?。坏珓?dòng)態(tài)性能差,。

　　(2)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(PM),。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)出力大，動(dòng)態(tài)性能好,；但步距角大,。

　　(3)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(HB)?；旌鲜?EM jQuery1335994016062="12">步進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式,、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的步距角小,，出力大,，動(dòng)態(tài)性能好，是目前性能最高的步進(jìn)電動(dòng)機(jī),。它有時(shí)也稱作永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

圖1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

1——定子  2——轉(zhuǎn)子  3——定子繞組{{分頁(yè)}}

　　圖1是最常見的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的剖面示意圖,。電機(jī)的定子上有六個(gè)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(gè)小齒。所以每個(gè)齒的齒距為θ_E=360o/40=9o,，而定子每個(gè)磁極的極弧上也有5個(gè)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?jǐn)?shù),，這就產(chǎn)生了所謂的齒錯(cuò)位的情況。若以A相磁極小齒和轉(zhuǎn)子的小齒對(duì)齊,，如圖1,，那么B相和C相磁極的齒就會(huì)分別和轉(zhuǎn)子齒相錯(cuò)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(chǎng)，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(yīng)轉(zhuǎn)矩（磁阻轉(zhuǎn)矩）的作用而轉(zhuǎn)動(dòng),，直到B磁極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊，恰好轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過3o,；此時(shí)A,、C磁極下的齒又分別與轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開三分之一齒距。接著停止對(duì)B相繞組通電,，而改為C相繞組通電,，同理受反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向再轉(zhuǎn)過3o,。依次類推,，當(dāng)三相繞組按A→B→C→A順序循環(huán)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)按順時(shí)針方向,，以每個(gè)通電脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)3o的規(guī)律步進(jìn)式轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),。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(shí)針方向以每個(gè)通電脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)3o的規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng),。因?yàn)槊恳凰查g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(yùn)行方式,。單三拍運(yùn)行時(shí)的步矩角θ_b為30o。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還有兩種通電方式,，它們分別是雙三拍運(yùn)行,，即按AB→BC→CA→AB順序循環(huán)通電的方式，以及單,、雙六拍運(yùn)行,，即按A→AB→B→BC→C→CA→A順序循環(huán)通電的方式。六拍運(yùn)行時(shí)的步矩角將減小一半,。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角可按下式計(jì)算：

                          θ_b=360o/NE_r                                 (1)

式中   E_r——轉(zhuǎn)子齒數(shù)；

       N——運(yùn)行拍數(shù),，N=km,，m為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組相數(shù)，k=1或2,。

3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，如圖2所示,，它由脈沖發(fā)生控制單元,、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成,。圖中點(diǎn)劃線所包圍的二個(gè)單元可以用微機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn),。驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接耦合,，也可理解成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微機(jī)控制器的功率接口，這里予以簡(jiǎn)單介紹,。

圖2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器

1. 單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口

　　實(shí)用電路如圖3所示,。在電機(jī)繞組回路中串有電阻R_s，使電機(jī)回路時(shí)間常數(shù)減小,，高頻時(shí)電機(jī)能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩,，還能緩解電機(jī)的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗,。一般情況下,，簡(jiǎn)單單電壓驅(qū)動(dòng)線路中，R_s是不可缺少的,。R_s對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單步響應(yīng)的改善如圖3(b),。{{分頁(yè)}}

圖3 單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口及單步響應(yīng)曲線

圖4 雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口

2.雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口

　　雙電壓驅(qū)動(dòng)的功率接口如圖4所示。雙電壓驅(qū)動(dòng)的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓U_L驅(qū)動(dòng),，而在高速（高頻段）時(shí)用較高的電壓U_H驅(qū)動(dòng),。這種功率接口需要兩個(gè)控制信號(hào)，U_h為高壓有效控制信號(hào),，U為脈沖調(diào)寬驅(qū)動(dòng)控制信號(hào),。圖中，功率管T_H和二極管D_L構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路,。當(dāng)U_h低電平,，T_H關(guān)斷，D_L正偏置,，低電壓U_L對(duì)繞組供電,。反之U_h高電平，T_H導(dǎo)通,，D_L反偏,，高電壓U_H對(duì)繞組供電。這種電路可使電機(jī)在高頻段也有較大出力,，而靜止鎖定時(shí)功耗減小,。

3.高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口

圖5 高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口

　　高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口如圖5所示。高低壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是,，不論電機(jī)工作頻率如何,，均利用高電壓U_H供電來(lái)提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿，而在前沿過后,，用低電壓U_L來(lái)維持繞組的電流,。這一作用同樣改善了驅(qū)動(dòng)器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻R_s，消除了附加損耗,。高低壓驅(qū)動(dòng)功率接口也有兩個(gè)輸入控制信號(hào)U_h和U_l,，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時(shí)刻跳變,，如圖5所示,。圖中，高壓管VT_H的導(dǎo)通時(shí)間t_l不能太大,，也不能太小,，太大時(shí)，電機(jī)電流過載,；太小時(shí),，動(dòng)態(tài)性能改善不明顯。一般可取1~3ms,。（當(dāng)這個(gè)數(shù)值與電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)相當(dāng)時(shí)比較合適）,。{{分頁(yè)}}

4.斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口

　　恒流驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，設(shè)法使導(dǎo)通相繞組的電流不論在鎖定,、低頻,、高頻工作時(shí)均保持固定數(shù)值。使電機(jī)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(gè)用于電流采樣的小阻值電阻,，稱為采樣電阻。當(dāng)電流不大時(shí),，VT₁和VT₂同時(shí)受控于走步脈沖,，當(dāng)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(jī)繞組具有較大電感，此時(shí)靠二極管VD續(xù)流,，維持繞組電流,，電機(jī)靠消耗電感中的磁場(chǎng)能量產(chǎn)生出力。此時(shí)電流將按指數(shù)曲線衰減,，同樣電流采樣值將減小,。當(dāng)電流小于恒流給定的數(shù)值,，VT₂導(dǎo)通,，電源再次接通。如此反復(fù)，電機(jī)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(dòng)接口

　　斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口也有兩個(gè)輸入控制信號(hào),，其中u₁是數(shù)字脈沖,，u₂是模擬信號(hào)。這種功率接口的特點(diǎn)是：高頻響應(yīng)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(fù)雜,。目前已有相應(yīng)的集成功率模塊可供采用,。

5.升頻升壓功率驅(qū)動(dòng)接口

　　為了進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高頻響應(yīng)，可采用升頻升壓功率驅(qū)動(dòng)接口,。這種接口對(duì)繞組提供的電壓與電機(jī)的運(yùn)行頻率成線性關(guān)系,。它的主回路實(shí)際上是一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源，利用頻率-電壓變換器,，將驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率轉(zhuǎn)換成直流電平,，并用此電平去控制開關(guān)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(dòng)接口,。

6.集成功率驅(qū)動(dòng)接口

　　目前已有多種用于小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的集成功率驅(qū)動(dòng)接口電路可供選用,。

　　L298芯片是一種H橋式驅(qū)動(dòng)器，它設(shè)計(jì)成接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào),，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載,。H橋可承受46V電壓，相電流高達(dá)2.5A,。L298(或XQ298,，SGS298)的邏輯電路使用5V電源，功放級(jí)使用5~46V電壓,，下橋發(fā)射極均單獨(dú)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(jí),。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。H橋驅(qū)動(dòng)的主要特點(diǎn)是能夠?qū)﹄姍C(jī)繞組進(jìn)行正,、反兩個(gè)方向通電,。L298特別適用于對(duì)二相或四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。{{分頁(yè)}}

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(dòng)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(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖8 專用芯片構(gòu)成的步進(jìn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)