步进电机驱动IC基础知识:类型、用途和工作原理

在本文中,我们将介绍步进电机的基础知识。您将了解步进电机的工作原理,结构,控制方法,用途和类型,以及其优缺点。

步进电机基础知识步进电机是一种电动机,其主要特征是其轴通过执行步进(即通过移动固定的度数)来旋转。由于电机的内部结构,可以获得此功能,并且只需计算步骤的操作即可知道轴的确切角度位置,而无需传感器。此功能还使其适用于广泛的应用。 步进电机工作原理 与所有电动机一样,步进电动机具有固定部件(定子)和移动部件(转子)。在定子上,有连接线圈的齿,而转子要么是永磁体,要么是可变磁阻铁芯。稍后我们将深入研究不同的转子结构。图1显示了表示电机截面的图纸,其中转子是可变磁阻铁芯。

 

步进电机的横截面
图1:步进电机的横截面

 

步进电机的基本工作原理如下:通过为一个或多个定子相供电,线圈中的电流产生磁场,转子与该磁场对齐。通过按顺序提供不同的相位,转子可以旋转特定量以达到所需的最终位置。图 2 显示了工作原理的表示形式。开始时,线圈A通电,转子与其产生的磁场对齐。当线圈B通电时,转子顺时针旋转60°以与新磁场对齐。当线圈C通电时,也会发生同样的情况。在图片中,定子齿的颜色表示定子绕组产生的磁场的方向。

 

步进电机步进
图2:步进电机步进

 

步进电机类型和结构 步进电机的性能 - 无论是在分辨率(或步长),速度和扭矩方面 - 都受到结构细节的影响,同时也可能影响电机的控制方式。事实上,并非所有步进电机都具有相同的内部结构(或结构),因为有不同的转子和定子配置。
转子


对于步进电机,基本上有三种类型的转子:

  • 永磁转子:转子是与定子电路产生的磁场对齐的永磁体。该解决方案保证了良好的扭矩和制动扭矩。这意味着无论线圈是否通电,电机都会抵抗位置的变化,即使不是很强。与其他类型相比,此解决方案的缺点是速度较低,分辨率较低。图3显示了永磁步进电机的一部分。

 

永磁步进电机
图3:永磁步进电机

 

  • 可变磁阻转子:转子由铁芯制成,并具有特定的形状,使其能够与磁场对齐(参见图1和图2)。使用这种解决方案,更容易达到更高的速度和分辨率,但它产生的扭矩通常较低,并且没有制动扭矩。
  • 混合转子:这种转子具有特定的结构,是永磁体和可变磁阻版本的混合体。转子有两个带交替齿的盖子,并轴向磁化。这种配置使电机具有永磁体和可变磁阻版本的优点,特别是高分辨率,速度和扭矩。这种更高的性能需要更复杂的结构,因此成本更高。图3显示了该电机结构的简化示例。当线圈A通电时,N磁化帽的齿与定子的S磁化齿对齐。同时,由于转子结构,S磁化齿与定子的N磁化齿对齐。真正的电机具有更复杂的结构,齿数比图中所示的要多,尽管步进电机的工作原理相同。高齿数使电机能够实现小步长,低至0.9°。

 

混合式步进电机
图4:混合式步进电机

 

定子

定子是电机的一部分,负责产生转子将要对齐的磁场。定子电路的主要特性包括其相数和极对,以及导线配置。相数是独立线圈的数量,而极对的数量表示每个相位如何占据主齿对。两相步进电机是最常用的,而三相和五相电机则不太常见(见图5和图6)。

 

定子绕组
图5:两相定子绕组(左),三相定子绕组(右)

 

 

正电压时产生的磁场
图 6:两相单极对定子(左)和两相偶极子对定子(右)。字母显示A +和A-之间施加正电压时产生的磁场。

 

步进电机控制 我们之前已经看到,电机线圈需要以特定的顺序通电,以产生转子将要对齐的磁场。使用几种设备为线圈提供必要的电压,从而使电机正常工作。从更靠近电机的设备开始,我们拥有:

晶体管电桥是物理控制电机线圈电气连接的器件。晶体管可以看作是电控灭弧室,当关闭时,它允许线圈连接到电源,从而允许线圈中的电流流动。每个电机相位需要一个晶体管电桥。
驱动IC是一种控制晶体管激活的器件,提供所需的电压和电流,而后者又由MCU控制。
MCU是一种微控制器单元,通常由电机用户编程,并为预驱动IC生成特定信号,以获得所需的电机行为。

图7显示了步进电机控制方案的简单表示。预驱动IC和晶体管电桥可以包含在单个器件中,称为驱动IC

 

电机控制基本方案
图7:电机控制基本方案

 

步进电机驱动器类型

市场上有不同的步进电机驱动IC,它们展示了特定应用的不同功能。最重要的特征包括输入接口。最常见的选项是:

  1. 步进/方向 – 通过在步进引脚上发送脉冲,驱动IC改变其输出,以便电机将执行步进,其方向由方向引脚上的电平确定。
  2. 相位/使能 – F或每个定子绕组相位,相位确定电流方向,如果相位通电,则触发使能。
  3. PWM – 直接控制低端和高侧FET的栅极信号。

 步进电机驱动IC的另一个重要特征是,它是否只能控制绕组两端的电压,或者同时控制流经绕组的电流:

  1. 通过电压控制,驱动IC仅调节绕组两端的电压。产生的扭矩和执行步骤的速度仅取决于电机和负载特性。
  2. 电流控制驱动IC更先进,因为它们调节流经有源线圈的电流,以便更好地控制产生的扭矩,从而控制整个系统的动态行为。

 

单极/双极电机

电机的另一个影响控制的特征是定子线圈的排列,这些线圈决定了电流方向是如何变化的。为了实现转子的运动,不仅需要为线圈通电,还需要控制电流的方向,这决定了线圈本身产生的磁场的方向(见图8)。 在步进电机中,控制电流方向的问题通过两种不同的方法解决。

 

基于线圈电流方向的磁场方向
图8:基于线圈电流方向的磁场方向

 

在单极步进电机中,其中一根引线连接到线圈的中心点(见图9)。这允许使用相对简单的电路和元件来控制电流的方向。中央引线(AM)连接到输入电压V在 (请参阅图 8)。如果 MOSFET 1 处于活动状态,则电流从 A 流出M到 A+。如果 MOSFET 2处于活动状态,则电流从 A 流出M到A-,在相反的方向上产生磁场。如上所述,这种方法允许更简单的驱动电路(只需要两个半导体),但缺点是一次只使用电机中使用的铜的一半,这意味着对于在线圈中流动的相同电流,如果使用所有铜,磁场的强度是原来的一半。此外,这些电机更难构建,因为必须提供更多的引线作为电机输入。

 

单极步进电机驱动电路
图9:单极步进电机驱动电路

 

在双极步进电机中,每个线圈只有两根引线可用,为了控制方向,必须使用H桥(见图10)。如图8所示,如果MOSFET 1和4有源,则电流从A+流向A-,而如果MOSFET 2和3有源,电流从A-流向A+,产生相反方向的磁场。该解决方案需要更复杂的驱动电路,但允许电机达到所用铜量的最大扭矩。

 

双极步进电机驱动电路
图10:双极步进电机驱动电路

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                        侵权必删

                                                                                                                           Please let us know if there is any infringement

创建时间:2022-08-26 14:22
Baidu
sogou

1382cm太阳贵宾会、1382cm太阳贵宾官网、1382cm太阳贵宾会app下载