步进电机的工作原理和特点
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公众号EV技研作者1900 2019-8-21 电动汽车

理解步进电机的工作原理 

步进电机的工作原理如图1所示。每输入一个控制脉冲,电机就会按照既定的 角度旋转一步。这个角度叫做步进角。图2是小型步进电机示例。

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图1

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图2

步进角取决于电机的结构和驱动方式,从7.5°、15°到90°,有各种各样的角 度。步进电机完全是随着脉冲输入旋转的。输入脉冲的周期长,电机就转得慢;周期短,就转得快。如果只输入3个脉冲 (步进角为15°),电机旋转45°便会停止。旋转角=步进角×脉冲数 =15°×3 =45° 这样,步进电机转子的转速和位置完全由输入脉冲控制。因此,步进电机又称 为脉冲电机。当然,如果施加了超过电机驱动能力的大转矩或高速脉冲,步进电机就不会按 一脉冲一步的关系工作了。这叫做失步。静止的空载步进电机,在没有失步的情况下能够启动的最大输入频率称为最大 自启动频率。已启动的电机,在没有失步的情况下能够连续旋转的最大输入频率称为最大连 续响应频率。 

步进电机的种类 

根据结构,步进电机可分为以下几类:

·PM(Permanent Magnet,永磁)式

·VR(Variable Reluctance,可变磁阻)式

·HB(Hybrid,混合)式 PM式如图3(a)所示,

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图3(a)

由永磁体转子和绕有励磁线圈的定子(磁场)构成。定子由以90°间隔配置的4个线圈L1~L4构成。在图示状态下,驱动信号Ф 2激发电流 流过L2,定子铁芯为N极,转子的N极、S极分别受到排斥力和吸引力,转子按顺时针 方向旋转(步进移动)。如果线圈端子Ф1~Ф4通过驱动信号Ф 1~Ф 4按顺序驱动,转子就会连续旋转。PM式转子使用的是永磁体,所以即使驱动输入完全关断,也具有保持最后状态 的力(转矩)。因此,静止时不需要流过保持电流。为了减小PM式电机的步进角,需要将转子做成多极结构,电机结构会变复杂。VR式如图3(b)所示,

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图3(b)

是由高磁导率材料加工成的齿轮状转子,和加工成内 齿轮状的铁芯上绕有线圈的定子(磁场)构成的。转子齿轮节距和定子齿轮节距不 同,图中的转子节距为45°,定子节距为30°。转子处于当前图示位置时,驱动信号Ф 2激发电流流向L2,定子为N极。另外,L2 对面的L2′中流过电流,成为S极。线圈L2、L2′产生的磁动势,形成以粗线表示的磁路。转子是用易通过磁通量、易磁化的高磁导率材料制成的,所以形成了最短磁路。其结果是,线圈L2、L2′对应的转子部分产生图示的磁极,进而产生箭头方向的 力(转矩),作用于转子。VR式不使用永磁体,理论上步进角可以小到齿轮的加工极限。另外,因为不使 用永磁体,所以适合制成大型电机。但是,正是因为VR式不使用永磁铁,所以当所有驱动信号关断时,转子的保持 转矩会消失。因此,对于电机空转有困难的应用,静止时也要向驱动线圈持续提供保 持电流。HB式拥有PM式和VR式两种结构的特点,同时具备:

 ·PM式的静止保持转矩

 ·VR式的微小步进角和大转矩


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