步进电机为什么需要驱动电路才能工作

　　步进电动机概述

步进电机是一种离散值控制电机，它将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移。这种电机每输入一个电脉冲就移动一步，所以也叫脉冲电机。

步进电机驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器和脉冲放大器组成，向电机绕组提供脉冲电流。步进电机的运行性能取决于电机与驱动电源的良好配合。

步进电机具有无累积误差、结构简单、使用维护方便、制造成本低、驱动负载惯性能力大的优点，适用于中小型机床和对速度精度要求低的地方。其缺点是效率低，发热高，有时“不合拍”。

　　步进电动机的分类

　　1、机电式步进电动机

机电式步进电机由铁芯、线圈和齿轮机构组成。螺线管线圈通电时会产生磁力推动其铁芯运动，输出轴通过齿轮机构转动一个角度，输出轴通过防转齿轮保持在新的工作位置。当线圈再次通电时，转轴旋转另一个角度，然后依次步进。

　　2、磁电式步进电动机

磁电式步进电机结构简单，可靠性高，价格低廉，应用广泛。主要有永磁型、磁阻型、混合型。

(1)永磁步进电机。它的转子有永磁体的磁极，在气隙中产生交变磁场，定子由四相绕组组成(见图)。当A相绕组通电时，转子将转向A相绕组确定的磁场方向。当A相断开，B相绕组通电励磁时，会产生新的磁场方向。此时，转子将旋转一个角度，并位于新的磁场方向。激励相位的顺序决定了转子的旋转方向。如果定子励磁变化太快，转子将不会与定子磁场方向的变化保持一致，转子将会失步。起动频率和运行频率低是永磁步进电机的一个缺点。而永磁步进电机功耗更小，效率更高。20世纪80年代初，出现了盘式转子永磁盘式步进电机，使得步进角度和工作频率达到了磁阻式步进电机的水平。

(2)磁阻步进电机。定子铁芯和转子铁芯的内外表面具有按一定规律分布的相似齿槽，定子铁芯和转子铁芯齿槽相对位置的变化引起磁路磁阻的变化，从而产生转矩。其转子铁芯由硅钢片或软磁材料制成。定子某一相励磁时，转子会转到磁路磁阻最小的位置。当另一相被激励，转子转到另一个位置时，当磁路的磁阻最小时，电机停止旋转。此时转子转动一个步距角b，即n为转动一个齿距的转子的运转拍数；ZR是转子的齿数。

磁阻步进电机有多种结构形式。定子铁芯有单段式和多段式；磁路有径向和轴向。绕组有三相、四相和五相。磁阻步进电机的步距角可以是1 ~ 15，甚至更小，精度容易保证，起动和运行频率更高，但功耗更大，效率更低。

(3)混合式步进电机。其定子和转子铁芯结构与磁阻步进电机相似。转子有永磁体，在气隙中产生单极磁场，该磁场也由转子上软磁材料的齿槽调制。

混合式步进电机兼有永磁步进电机和磁阻步进电机的优点，具有步距角小、精度高、工作频率高、功耗低、效率高的优点。

　　3、直线式步进电动机

有两种：反应型和索耶型。索伊尔直线步进电机由静止部分(称为反作用板)和运动部分(称为动子)组成。反应板由软磁材料制成，其上均匀地形成有齿和槽。电机的动子由一个永磁体和两个带线圈的磁极a和b组成。动子由气垫支撑，以消除运动时的机械摩擦，使电机平稳运行，提高定位精度。该电机最大移动速度可达1.5m/s，加速度可达2g，定位精度可达20微米以上。两个索伊尔直线步进电机垂直组装形成一个平面电机。通过在X方向和Y方向给两个电机不同的控制电流组合(图3)，电机可以在平面内做出任何几何轨迹。大型自动绘图仪是计算机与平面电机相结合的新型设备。平面电机也可用于激光切割系统，其控制精度和分辨率可达数十微米。

　　步进电动机工作原理

我们用图11.20来说明这种电机的工作原理。

磁阻步进电机

机的定子上装有多相励磁绕组，图11.20中为最常使用的三相绕组步进电动机的示意图。三相绕组形成6个磁极。转子由软磁材料制成，上有4个齿。当A相绕组通电，而B、C相绕组均不通电时，由于磁通力图走磁阻最小路径，使磁路磁阻最小，因此产生磁阻转矩使齿1、3的轴线与定子A相磁极对齐。在下一时刻给B相通电，断开A相供电将使转子齿2、4的轴线与B相磁极对齐，转子因此整体上逆时针旋转了30°。因此按A-B-C—A…的顺序使三个绕组轮流通电将使得转子逆时针方向连续旋转。如果按A-C-B-A…的顺序通电，转子将顺时针旋转。由此可得到如下的判断：

　　（1）步进电动机的旋转方向取决于绕组通电的顺序；

　　（2）电动机的转速取决于绕组通断的频率；

　　（3）绕组的每次通电切换，转角步进的距离为转子齿间夹角距的l/m，亦即步距角为齿距的l/m。

　　上述步进电动机模型中每步步距角为30°，很难适应精细控制的要求。实际的电动机采用如图11. 21的结构。在这种结构中定子磁极的极弧上开有一些均匀分希的小齿，转子表面也均匀分布着小齿。转子小齿之间按角度度量的齿距和定子的齿距完全相等。所谓齿距就是相邻两齿中心线的夹角，又称为齿距角DT=360°/Zr 式中DT-齿距； Zr-转子的齿数。

　　由于开了这些小齿，转子在绕组切换时的转动在小于DT的范围内就能找到一个磁阻最小的位置，这样就大大减小了步距角，提高了运动的分辨率。

　　从图11. 20的分析中注意到当转子的齿与某一磁极的齿完全吻合时，对于m相电动机来说，转子的齿与其他二相磁极的齿必须依次错开l/m齿距。对于三相电动机来说，当A相通电时，转子的小齿与B、C两相磁极上的小齿必须依次错开DT/3。在这种约束下，转子的齿数就不能是任意数值，而是必须满足以下的条件：

　　Zr/2p=K±1/m即Zr=2p（K±1/m）=2pK±2

　　式中K-正整数; p-极对数； m-相数，p=m。

　　混合式步进电动机的工作原理

　　图中的电动机定子有4个沿圆周均匀分布的齿，线圈绕制在齿上且成对连接。具有不同极性的两段转子各有3个齿。图中以实线表示S段，以虚线表示N段，两段转子交错半个齿距。

　　当绕组中不通电流时，因为转子中的永磁体总是试图减少磁路中的磁阻，转子将趋向有限的若干位置，直至N极和S极转子上各有一齿与定子磁极对齐。对于图中的电机来说，这样的位置有12个。将转子保持在这些位置上的转矩通常不大，称之为维持转矩。

　　如果如图11. 28（a）那样有电流通过一相绕组，在定子上产生的N极和S极将吸引异性转子段上的齿，在这种情况下，只有和转子的齿数一样的3个稳定位置，将转子从定位位置上拉开的转矩要大得多，称为锁定转矩。

　　将通电方式由图（a）切换至图（b），定子磁场转过90。，并将吸引另一对齿，结果转子旋转了30。，相当于一个整步。在从图（b）到图（c）中，励磁又回到前一绕组，但是电流方向相反，可使转子再前进一整步。在图（d）中再使第二相绕组电流反向又可前进一步。这样转子就走过了一个齿距。步骤从图（d）后再回到图（a），如此反复，形成电动机的旋转运动，每转需要12步。显然，以相反的顺序激励定子绕组，电动机将反转。

　　通常定子的小齿以不同于转子的齿距均匀分布，在齿数较多的电动机中（如图11. 27），定子和转子的齿距排列使得只有转子对面的两个齿与两个相距180。的定子齿完全对齐。同时，相距90。机械角处的定转子齿则完全错开。对于这样结构的混合式电动机，可用如下的公式计算其每转步数N=┃NrNs/（Ns-Nr）┃

　　其中，N为每转步数；Nr和Ns分别是转子和定子的齿数。对于图11.27中的例子，Nr和Ns分别是8和10，则可计算出这种电动机每转40步，步距角为9。

　　步进电动机为什么需要驱动电路才能工作

　　步进电动机是为了精确位移设计的，为了达到较高精度效率必然偏低电流大，不是直流电机加电就可运行。且步进电机是靠单片子产生脉冲来控制转矩的，单片机本身驱动电流较小，驱动不了电机绕组，要用驱动电路产生较大电流，直接驱动会烧坏单片机。