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步进电机有许多种形状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：可变磁阻步进电机和永磁步进电机。步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动呼机、机械手臂和录像机等)的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中，只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机就一定能派上用场。步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。如果线圈中电流的流向所示，并且我们从电机顶部向下看齿槽的顶部，那么电流在绕两个齿槽按逆时针流向流动。根据安培定律和右手准则，这样的电流会产生一个北极向上的磁场。假设我们构造一个定子上缠绕有两个绕组的电机，内置一个能够绕中心任意转动的永久磁铁，这个可旋转部分叫做转子。这就是一种简单的电机，叫做双相双极电机，因为其定子上有两个绕组，而且其转子有两个磁极。双相双极电机，如果我们按电机所示方向给绕组1输送电流，而绕组2中没有电流流过，那么电机转子的南极就会自然地按所示，指向定子磁场的北极。再假设我们切断绕组1中的电流，而按2b所示方向给绕组2输送电流，那么定子的磁场就会指向左侧，而转子也会随之旋转，与定子磁场方向保持一致。接着，我们再将绕组2的电流切断，按照所指的方向给绕组1输送电流，注意：这时绕组1中的电流流向与所示方向相反。于是定子的磁场北极就会指向下，从而导致转子旋转，其南极也指向下方。然后我们又切断绕组1中的电流，按照所示方向给绕组2输送电流，于是定子磁场又会指向右侧，从而使得转子旋转，其南极也指向右侧。我们再一次切断绕组2中的电流，并给绕组1输送到2a所示的电流，这样，转子又会回到原来的位置。至此，我们对电机绕组完成了一个周期的电激励，电机转子旋转了一整圈。也就是说，电机的电频率等于它转动的机械频率。如果我们用1秒钟顺序完成了这4个步骤，那么电机的电频率就是1Hz。其转子旋转了一周，因而其机械频率也是1Hz。总之，一个双相步进电机的电频率和机械频率之间的关系可以用下式表示：fe=fm*P/2(1)，其中，fe代表电机的电频率，fm代表其机械频率，而P则代表电机转子的等距磁极数。我们还可以看出，每一步操作都会使转子旋转90°，也就是说，一个双相步进电机每一步操作造成的旋转度数可由下式表示：1step=°/P(2)，由等式(2)可知，一个双极电机每动作一次可以旋转°/2=90°，这与我们在看到的情形正好相符。此外，该等式还表明，电机的磁极数越多，步进精度就越高。常见的是磁极数在12和个之间的双相步进电机，这些电机的步进精度在15°和0.9°之间。双相六级电机，第一步，我们给绕组1施加电压，在定子中产生一个北极指向其顶部的磁场，于是，转子的南极，转向了该电机的上方。接着，我们给绕组2施加电压，定子中产生一个北极指向其左侧的磁场。于是，转子的一个距离最近的南极转向了电机的左方，即转子顺时针转动了30°。第三步，我们又向绕组1施加一个电压，在定子中产生一个北极指向下方的磁场，从而又使转子顺时针旋转30°到达位置。我们给绕组施加电压，在定子中产生一个北极指向定子右侧的磁场，再一次使转子顺时针旋转30°，我们再向绕组1施加电压，产生一个指向定子上方的磁场，使得转子顺时针旋转30°，结束一个电周期。如此可以看出，4步电激励造成了°的机械旋转。也就是说，该电机的电频率是机械频率的3倍，电机的转子每一步旋转30°。如果同时向两个绕组输送电流，还能增大电机的扭矩，电机定子的磁场是两个绕组各自产生的磁场的矢量和，虽然这一磁场每一次动作仍然只使电机旋转90°，但因为我们同时激励两个电机绕组，所以此时的磁场比单独激励一个绕组时更强。由于该磁场是两个垂直场的矢量和，因此它等于单独每个场的2×1.倍，从而电机对其负载施加的扭矩也成正比增大。既然我们知道了一系列激励会使步进电机旋转，接下来就要设计硬件来实现所需的步进序列。一块能让电机动起来的硬件(或结合了硬件和软件的一套设备)就叫做电机驱动器。如何激励双相电机的绕组才能使电机转子旋转，电机内的绕组抽头分别被标为1A、1B、2A和2B。其中，1A和1B是绕组1的两个抽头，2A和2B则是绕组2的两个抽头。同时激励电机的两个绕组，首先，要给脚1B和2B施加一个正电压，并将1A和2A接地。然后，给脚1B和2A施加一个正电压，而将1A和2B接地，这一过程其实取决于导线绕齿槽缠绕的方向，假设导线缠绕的方向与上一节所述相符。依次进行下去，我们就得到了表1中总结的激励顺序，其中，“1”表示正电压，“0”表示接地。电流在电机绕组中有两种可能的流向，这样的电机就叫做双极电机和双极驱动序列。双极电机通常由一种叫做H桥的电路驱动，连接H桥和步进电机两根抽头的电路。电机控制理论可以采用全硬件方案实现，也可以用微控制器或DSP实现。用晶体管作为开关来控制双相单极电机。每个晶体管的基极都要通过一个电阻连接到微控制器的一个数字输出上，阻值可以从1到10M欧姆，用于限制流入晶体管基极的电流。每个晶体管的发射极均接地，集电极连到电机绕组的4个抽头。电机的中心抽头均连接到电源电压的正端。每个晶体管的集电极均通过一个二极管连接到电压源，以保护晶体管不被旋转时电机绕组上的感应电流烧坏。转子旋转时，电机绕组上会出现一个感应电压，如果晶体管集电极没有通过二极管连接到电压源，感应电压造成的电流就会涌入晶体管的集电极。举个例子，假设数字输出do1为高而do2为低，于是do1会使晶体管T1导通，电流从+V流经中心抽头和T1的基极，然后由T1的发射极输出。但此时do2处于断开状态，因此电流无法流经T2。这样推理下去，我们就能清楚了解驱动电机所需的硬件和数字输出的顺序。然后就可以对最顺手的微控制器或DSP编写软件，实现这些序列。预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇
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