永磁双极性步进电机原理

1.双极性步进电机的构造

双极性步进电机每个绕组都可以实现两个方向通电，故各绕组的某一端既可以是N极也可以是S极。因为它有两组独立的线圈，所有还被称为两相步进电机，结构如图1所示：

图1.双极性步进电机结构图

如图2 A所示，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。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、相。如果线圈中电流的流向如图2A所示，从电机顶部向下观察齿槽顶部，那么电流在两个齿槽逆时针流动。根据安培定律和右手法则，该电流会产生一个N极向上的磁场。

图2.双极性步进电机工作过程

现假设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。如果我们按图A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图中所示，指向定子磁场的北极。我们再切断绕组1中的电流，而按图B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，按照图C的方向给绕组1输送电流。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，按照图D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。最后，我们再一次切断绕组2中的电流，并给绕组1输送如图A所示的电流，这样，转子又会回到原来的位置。

至此，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，即电机的电频率等于它转动的机械频率。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：

$fm=fe*\frac{P}{2}$

其中，代表fe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。

从图2中我们还可以看出，每一步操作都会使转子旋转90°，也就是说，一个双相步进电机各步骤操作造成的旋转度数如下式所示：

$1 step=\frac{180^{\circ}}{P}$

由等式②可知，一个双极电机每动作一次可以旋转180°/2=90°，这与我们在图2中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200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。

图3.双相、6极步进电机结构图

第一步，如图A所示，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(图3a中红色的“S”一端)转向了该图的上方。

第二步，在图B中，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图的左方，即转子顺时针转动了30°。

第三步，在图C中，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图下方的磁场，从而又使转子顺时针旋转30°到达图C所示的位置。

第四步，而在图D中，我们给绕组2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°，到达图D所示的位置。

最后，我们再向绕组1施加电压，产生一个如图3a所示的北极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120°的机械旋转。也就是说，该电机的电频率是机械频率的3倍，这一结果符合等式①。此外，我们从图3和等式②也能看出，该电机的转子每一步旋转30°。

如果同时向两个绕组输送电流，这时，电机定子的磁场是两个绕组各自产生的磁场的矢量和，虽然该磁场每一次动作仍只使电机旋转90°，像图2和图3中一样，但因为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2×1.414倍，从而电机对其负载施加的扭矩也成正比增大。

2.双极性电机的激励顺序

接下来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。

图4.双相步进电机激励顺序图

图4为双相步进电机激励顺序图，图中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。

首先，给1B和2B施加一个正电压，并将1A和2A接地。然后，给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，我们就得到了图1中总结的激励顺序。

图5. H桥驱动电路图

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性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，图5给出了连接H桥和步进电机两根抽头的电路。H桥通过一个电阻连接到一个电压固定的直流电源(其幅度可根据电机的要求选取)，然后，该电路再经过4个开关(分别标为S1、S2、S3和 S4)连接到绕组的两根抽头。

表1.激励时序中开关状态

激励时序	2A	2B	S1	S2	S3	S4
一	0	1	1	0	0	1
二	1	0	0	1	1	0
三	1	0	0	1	1	0
四	0	1	1	0	0	1

注：开关状态为“1”表示闭合，开关状态为“0”表示断开。

若R=0，而开关S1和S3又不小心同时闭合，那流经开关的电流理论上将达到无穷大，不仅会烧坏开关，也可能损坏电源，故电路中使用一个非零电阻。虽然多使用一个非零电阻会带来一定的功耗和降低电机驱动器的效率，但它可以提供短路保护。

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