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  • 步進(jìn)電機驅動(dòng)IC基礎知識:類(lèi)型、用途和工作原理

    在本文中,我們將介紹步進(jìn)電機的基礎知識。您將了解步進(jìn)電機的工作原理,結構,控制方法,用途和類(lèi)型,以及其優(yōu)缺點(diǎn)。

    步進(jìn)電機基礎知識步進(jìn)電機是一種電動(dòng)機,其主要特征是其軸通過(guò)執行步進(jìn)(即通過(guò)移動(dòng)固定的度數)來(lái)旋轉。由于電機的內部結構,可以獲得此功能,并且只需計算步驟的操作即可知道軸的確切角度位置,而無(wú)需傳感器。此功能還使其適用于廣泛的應用。 步進(jìn)電機工作原理 與所有電動(dòng)機一樣,步進(jìn)電動(dòng)機具有固定部件(定子)和移動(dòng)部件(轉子)。在定子上,有連接線(xiàn)圈的齒,而轉子要么是永磁體,要么是可變磁阻鐵芯。稍后我們將深入研究不同的轉子結構。圖1顯示了表示電機截面的圖紙,其中轉子是可變磁阻鐵芯。

     

    步進(jìn)電機的橫截面
    圖1:步進(jìn)電機的橫截面

     

    步進(jìn)電機的基本工作原理如下:通過(guò)為一個(gè)或多個(gè)定子相供電,線(xiàn)圈中的電流產(chǎn)生磁場(chǎng),轉子與該磁場(chǎng)對齊。通過(guò)按順序提供不同的相位,轉子可以旋轉特定量以達到所需的最終位置。圖 2 顯示了工作原理的表示形式。開(kāi)始時(shí),線(xiàn)圈A通電,轉子與其產(chǎn)生的磁場(chǎng)對齊。當線(xiàn)圈B通電時(shí),轉子順時(shí)針旋轉60°以與新磁場(chǎng)對齊。當線(xiàn)圈C通電時(shí),也會(huì )發(fā)生同樣的情況。在圖片中,定子齒的顏色表示定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向。

     

    步進(jìn)電機步進(jìn)
    圖2:步進(jìn)電機步進(jìn)

     

    步進(jìn)電機類(lèi)型和結構 步進(jìn)電機的性能 - 無(wú)論是在分辨率(或步長(cháng)),速度和扭矩方面 - 都受到結構細節的影響,同時(shí)也可能影響電機的控制方式。事實(shí)上,并非所有步進(jìn)電機都具有相同的內部結構(或結構),因為有不同的轉子和定子配置。
    轉子


    對于步進(jìn)電機,基本上有三種類(lèi)型的轉子:

    • 永磁轉子:轉子是與定子電路產(chǎn)生的磁場(chǎng)對齊的永磁體。該解決方案保證了良好的扭矩和制動(dòng)扭矩。這意味著(zhù)無(wú)論線(xiàn)圈是否通電,電機都會(huì )抵抗位置的變化,即使不是很強。與其他類(lèi)型相比,此解決方案的缺點(diǎn)是速度較低,分辨率較低。圖3顯示了永磁步進(jìn)電機的一部分。

     

    永磁步進(jìn)電機
    圖3:永磁步進(jìn)電機

     

    • 可變磁阻轉子:轉子由鐵芯制成,并具有特定的形狀,使其能夠與磁場(chǎng)對齊(參見(jiàn)圖1和圖2)。使用這種解決方案,更容易達到更高的速度和分辨率,但它產(chǎn)生的扭矩通常較低,并且沒(méi)有制動(dòng)扭矩。
    • 混合轉子:這種轉子具有特定的結構,是永磁體和可變磁阻版本的混合體。轉子有兩個(gè)帶交替齒的蓋子,并軸向磁化。這種配置使電機具有永磁體和可變磁阻版本的優(yōu)點(diǎn),特別是高分辨率,速度和扭矩。這種更高的性能需要更復雜的結構,因此成本更高。圖3顯示了該電機結構的簡(jiǎn)化示例。當線(xiàn)圈A通電時(shí),N磁化帽的齒與定子的S磁化齒對齊。同時(shí),由于轉子結構,S磁化齒與定子的N磁化齒對齊。真正的電機具有更復雜的結構,齒數比圖中所示的要多,盡管步進(jìn)電機的工作原理相同。高齒數使電機能夠實(shí)現小步長(cháng),低至0.9°。

     

    混合式步進(jìn)電機
    圖4:混合式步進(jìn)電機

     

    定子

    定子是電機的一部分,負責產(chǎn)生轉子將要對齊的磁場(chǎng)。定子電路的主要特性包括其相數和極對,以及導線(xiàn)配置。相數是獨立線(xiàn)圈的數量,而極對的數量表示每個(gè)相位如何占據主齒對。兩相步進(jìn)電機是最常用的,而三相和五相電機則不太常見(jiàn)(見(jiàn)圖5和圖6)。

     

    定子繞組
    圖5:兩相定子繞組(左),三相定子繞組(右)

     

     

    正電壓時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)
    圖 6:兩相單極對定子(左)和兩相偶極子對定子(右)。字母顯示A +和A-之間施加正電壓時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

     

    步進(jìn)電機控制 我們之前已經(jīng)看到,電機線(xiàn)圈需要以特定的順序通電,以產(chǎn)生轉子將要對齊的磁場(chǎng)。使用幾種設備為線(xiàn)圈提供必要的電壓,從而使電機正常工作。從更靠近電機的設備開(kāi)始,我們擁有:

    晶體管電橋是物理控制電機線(xiàn)圈電氣連接的器件。晶體管可以看作是電控滅弧室,當關(guān)閉時(shí),它允許線(xiàn)圈連接到電源,從而允許線(xiàn)圈中的電流流動(dòng)。每個(gè)電機相位需要一個(gè)晶體管電橋。
    驅動(dòng)IC是一種控制晶體管激活的器件,提供所需的電壓和電流,而后者又由MCU控制。
    MCU是一種微控制器單元,通常由電機用戶(hù)編程,并為預驅動(dòng)IC生成特定信號,以獲得所需的電機行為。

    圖7顯示了步進(jìn)電機控制方案的簡(jiǎn)單表示。預驅動(dòng)IC和晶體管電橋可以包含在單個(gè)器件中,稱(chēng)為驅動(dòng)IC。

     

    電機控制基本方案
    圖7:電機控制基本方案

     

    步進(jìn)電機驅動(dòng)器類(lèi)型

    市場(chǎng)上有不同的步進(jìn)電機驅動(dòng)IC,它們展示了特定應用的不同功能。最重要的特征包括輸入接口。最常見(jiàn)的選項是:

    1. 步進(jìn)/方向 – 通過(guò)在步進(jìn)引腳上發(fā)送脈沖,驅動(dòng)IC改變其輸出,以便電機將執行步進(jìn),其方向由方向引腳上的電平確定。
    2. 相位/使能 – F或每個(gè)定子繞組相位,相位確定電流方向,如果相位通電,則觸發(fā)使能。
    3. PWM – 直接控制低端和高側FET的柵極信號。

     步進(jìn)電機驅動(dòng)IC的另一個(gè)重要特征是,它是否只能控制繞組兩端的電壓,或者同時(shí)控制流經(jīng)繞組的電流:

    1. 通過(guò)電壓控制,驅動(dòng)IC僅調節繞組兩端的電壓。產(chǎn)生的扭矩和執行步驟的速度僅取決于電機和負載特性。
    2. 電流控制驅動(dòng)IC更先進(jìn),因為它們調節流經(jīng)有源線(xiàn)圈的電流,以便更好地控制產(chǎn)生的扭矩,從而控制整個(gè)系統的動(dòng)態(tài)行為。

     

    單極/雙極電機

    電機的另一個(gè)影響控制的特征是定子線(xiàn)圈的排列,這些線(xiàn)圈決定了電流方向是如何變化的。為了實(shí)現轉子的運動(dòng),不僅需要為線(xiàn)圈通電,還需要控制電流的方向,這決定了線(xiàn)圈本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向(見(jiàn)圖8)。 在步進(jìn)電機中,控制電流方向的問(wèn)題通過(guò)兩種不同的方法解決。

     

    基于線(xiàn)圈電流方向的磁場(chǎng)方向
    圖8:基于線(xiàn)圈電流方向的磁場(chǎng)方向

     

    在單極步進(jìn)電機中,其中一根引線(xiàn)連接到線(xiàn)圈的中心點(diǎn)(見(jiàn)圖9)。這允許使用相對簡(jiǎn)單的電路和元件來(lái)控制電流的方向。中央引線(xiàn)(AM)連接到輸入電壓V在 (請參閱圖 8)。如果 MOSFET 1 處于活動(dòng)狀態(tài),則電流從 A 流出M到 A+。如果 MOSFET 2處于活動(dòng)狀態(tài),則電流從 A 流出M到A-,在相反的方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)。如上所述,這種方法允許更簡(jiǎn)單的驅動(dòng)電路(只需要兩個(gè)半導體),但缺點(diǎn)是一次只使用電機中使用的銅的一半,這意味著(zhù)對于在線(xiàn)圈中流動(dòng)的相同電流,如果使用所有銅,磁場(chǎng)的強度是原來(lái)的一半。此外,這些電機更難構建,因為必須提供更多的引線(xiàn)作為電機輸入。

     

    單極步進(jìn)電機驅動(dòng)電路
    圖9:?jiǎn)螛O步進(jìn)電機驅動(dòng)電路

     

    在雙極步進(jìn)電機中,每個(gè)線(xiàn)圈只有兩根引線(xiàn)可用,為了控制方向,必須使用H橋(見(jiàn)圖10)。如圖8所示,如果MOSFET 1和4有源,則電流從A+流向A-,而如果MOSFET 2和3有源,電流從A-流向A+,產(chǎn)生相反方向的磁場(chǎng)。該解決方案需要更復雜的驅動(dòng)電路,但允許電機達到所用銅量的最大扭矩。

     

    雙極步進(jìn)電機驅動(dòng)電路
    圖10:雙極步進(jìn)電機驅動(dòng)電路

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

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    創(chuàng )建時(shí)間:2022-08-26 14:22
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