步進電機驅動IC基礎知識:類型、用途和工作原理

在本文中,我們將介紹步進電機的基礎知識。您將了解步進電機的工作原理,結構,控制方法,用途和類型,以及其優缺點。

步進電機基礎知識步進電機是一種電動機,其主要特征是其軸通過執行步進(即通過移動固定的度數)來旋轉。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,而無需傳感器。此功能還使其適用于廣泛的應用。 步進電機工作原理 與所有電動機一樣,步進電動機具有固定部件(定子)和移動部件(轉子)。在定子上,有連接線圈的齒,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。

 

步進電機的橫截面
圖1:步進電機的橫截面

 

步進電機的基本工作原理如下:通過為一個或多個定子相供電,線圈中的電流產生磁場,轉子與該磁場對齊。通過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。開始時,線圈A通電,轉子與其產生的磁場對齊。當線圈B通電時,轉子順時針旋轉60°以與新磁場對齊。當線圈C通電時,也會發生同樣的情況。在圖片中,定子齒的顏色表示定子繞組產生的磁場的方向。

 

步進電機步進
圖2:步進電機步進

 

步進電機類型和結構 步進電機的性能 - 無論是在分辨率(或步長),速度和扭矩方面 - 都受到結構細節的影響,同時也可能影響電機的控制方式。事實上,并非所有步進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


對于步進電機,基本上有三種類型的轉子:

  • 永磁轉子:轉子是與定子電路產生的磁場對齊的永磁體。該解決方案保證了良好的扭矩和制動扭矩。這意味著無論線圈是否通電,電機都會抵抗位置的變化,即使不是很強。與其他類型相比,此解決方案的缺點是速度較低,分辨率較低。圖3顯示了永磁步進電機的一部分。

 

永磁步進電機
圖3:永磁步進電機

 

  • 可變磁阻轉子:轉子由鐵芯制成,并具有特定的形狀,使其能夠與磁場對齊(參見圖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,但它產生的扭矩通常較低,并且沒有制動扭矩。
  • 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點,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化示例。當線圈A通電時,N磁化帽的齒與定子的S磁化齒對齊。同時,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,盡管步進電機的工作原理相同。高齒數使電機能夠實現小步長,低至0.9°。

 

混合式步進電機
圖4:混合式步進電機

 

定子

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

 

定子繞組
圖5:兩相定子繞組(左),三相定子繞組(右)

 

 

正電壓時產生的磁場
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-之間施加正電壓時產生的磁場。

 

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

晶體管電橋是物理控制電機線圈電氣連接的器件。晶體管可以看作是電控滅弧室,當關閉時,它允許線圈連接到電源,從而允許線圈中的電流流動。每個電機相位需要一個晶體管電橋。
驅動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,通常由電機用戶編程,并為預驅動IC生成特定信號,以獲得所需的電機行為。

圖7顯示了步進電機控制方案的簡單表示。預驅動IC和晶體管電橋可以包含在單個器件中,稱為驅動IC。

 

電機控制基本方案
圖7:電機控制基本方案

 

步進電機驅動器類型

市場上有不同的步進電機驅動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。最常見的選項是:

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

 步進電機驅動IC的另一個重要特征是,它是否只能控制繞組兩端的電壓,或者同時控制流經繞組的電流:

  1. 通過電壓控制,驅動IC僅調節繞組兩端的電壓。產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IC更先進,因為它們調節流經有源線圈的電流,以便更好地控制產生的扭矩,從而控制整個系統的動態行為。

 

單極/雙極電機

電機的另一個影響控制的特征是定子線圈的排列,這些線圈決定了電流方向是如何變化的。為了實現轉子的運動,不僅需要為線圈通電,還需要控制電流的方向,這決定了線圈本身產生的磁場的方向(見圖8)。 在步進電機中,控制電流方向的問題通過兩種不同的方法解決。

 

基于線圈電流方向的磁場方向
圖8:基于線圈電流方向的磁場方向

 

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

 

單極步進電機驅動電路
圖9:單極步進電機驅動電路

 

在雙極步進電機中,每個線圈只有兩根引線可用,為了控制方向,必須使用H橋(見圖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+,產生相反方向的磁場。該解決方案需要更復雜的驅動電路,但允許電機達到所用銅量的最大扭矩。

 

雙極步進電機驅動電路
圖10:雙極步進電機驅動電路

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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創建時間:2022-08-26 14:22
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