3.1 步进电机驱动器基础

[音乐播放] 欢迎观看 TI高精度实验室 步进电机系列第一章。 我叫 JamesLockridge，今天我们 将讨论步进电机的基础知识。 许多应用都使用步进电机， 因为它们无需外部传感器 或复杂的控制算法即可进行精确的 位置控制。 有时我们将其称为开环位置控制。 步进电机可以提供连续运动， 或保持固定的转子位置， 具体取决于系统要求。 这些特性使得步进器易于实现， 并且为系统设计人员提供了一种低成本解决方案。 在深入探讨步进电机之前， 我将回顾一下它们相比其他常见 电机类型的适用范围， 刷式直流、无刷直流 和步进电机是最常见的由直流电源 供电的电机类型。 刷式直流电机的转子上有一个绕组。 由金属或碳制成的电刷通过转子上的 换向器激励绕组。 当转子旋转时，换向器改变 电流流经 绕组的方向。 当电流改变转子绕组的 方向时，转子磁场的 极性就会改变。 换向器确保转子上磁场的 极性始终与定子上的磁体 或绕组产生的磁场相反。 这将在刷式直流电机中产生连续运动。 无刷直流电机的转子上有永磁体， 定子上有绕组。 这与刷式直流电机的结构 相反。 对于无刷直流电机， 没有电刷或机械换向器。 换向通过电气控制实现。 通常，无刷直流电机具有三个相位， 当以正确的顺序进行激励时会产生 运动。 动画和图像所示的电机技术先进， 其转子磁体的安装位置 像外壳一样位于内部定子绕组周围。 步进电机与无刷直流电机相似， 因为它们也可以电气换向。 步进电机通常只有两个相位。 但是，存在具有三个或更多相位的步进器。 步进电机中的转子根据每个 相绕组中电流的大小和方向 以离散的位置步距 运动。 步进电机有三种主要类型： 永磁式、混合式和可变磁阻式。 永磁步进电机的转子上 有永磁体。 绕组线圈方向与转子轴线方向 相同。 定子上的转子齿有助于引导 来自转子的磁场与定子上的绕组相互作用。 转子上的磁极平行于 转子表面上的 转子旋转轴。 当永磁体移动到与激励绕组的 磁场对齐时，就会发生转子运动。 可变磁阻电机不使用任何 永磁体。 转子由与定子相同的电磁钢制成。 可变磁阻电机之所以得此名， 是因为磁场可使转子移动到 气隙和磁阻 最小的位置。 磁阻的差异是由转子和定子上 定子齿的形状 造成的。 可变磁阻步进电机通常 需要至少三相绕组来有效地 控制转子的 旋转方向。 混合式步进电机之所以得此名， 是因为转子包含一个永磁体， 而定子和转子则具有转子齿， 就像可变磁阻步进器一样。 步进器上的永磁体的磁场 方向与转子的 旋转轴相同。 这与永磁步进 电机的结构不同。 磁体两侧的端盖上的转子齿 将磁通路径从磁体向外重定向到定子齿， 以最大程度地增强磁场与绕组的 相互作用。 在这三种电机类型中，混合电机最为常见， 而可变磁阻电机最不常见。 永磁和混合式步进电机通常 具有两相绕组，尽管在某些情况下 它们可能具有更多的绕组。 与永磁体步进电机相比，混合电机通常 具有更小的步距和更高的转矩。 混合式和永磁式步进电机 具有双极和单极绕组配置。 对于双极电机，H 桥允许电流 沿任一方向流经绕组。 电流的方向决定了由该绕组 产生的磁场的极性。 单极电机仅需要低侧或高侧 FET 来沿一个方向驱动电流通过绕组。 单极电机的绕组具有一个中心抽头， 该抽头可以接地或连接到 电机电源。 特定相位的线圈不是沿两个方向 驱动电流来改变定子 磁场的极性，而是沿相反方向缠绕， 以实现继续移动转子所需的 磁场极性的 改变。 如果中心抽头未连接并且线圈 连接到双极步进电机驱动器， 则可以像驱动双极电机一样来驱动单极电机。 集成式步进驱动器通过按特定顺序 激励步进器绕组来控制 转子位置。 在此示例中，微控制器 向步进驱动器发送脉冲， 以指示步进转子应移动到 下一个位置。 当步进驱动器接收到步进脉冲时， 它将按顺序激励其中一个相绕组。 当它接收到下一个脉冲时，它将激励下一个相位， 由此转子便可继续运动。 集成在步进驱动器中的 H 桥 在两个方向上控制相绕组中的电流， 用于改变绕组的极性并继续 使转子运动。 如果微控制器停止发送步进脉冲， 则转子将保持静止并与 激励相位的磁场对齐。 集成式步进驱动器通常实现了保护、 微步进和步进调优等额外特性。 有关步进电机和 TI 集成式步进 驱动器的更多信息， 请访问 TI.com 上的步进驱动器页面。