步进电机驱动器接线图(步进电机工作原理图)

步进电机的工作原理和驱动方法

步进电机是一种机电组件，可将电脉冲信号转换为角位移或线性位移。步进电机的输入是一系列脉冲，输出是相应的增量位移或步进运动。在正常操作中，它每转具有固定的步数，并且在执行连续步操作时，转速与输入脉冲的频率保持紧密匹配，并且不受电压波动和负载波动的影响。步进电机可以直接接受数字控制，因此特别适合使用微型计算机进行控制。

1.步进电动机的类型

当前有三种常用的步进电动机。

（1）步进电抗器（VR）。无功步进电机结构简单，生产成本低，步距角小，动态性能差。

（2）永磁步进电动机（PM）。永磁步进电动机具有大输出和良好的动态性能，但是具有大的步进角。

（3）混合式步进电机（HB）。混合式步进电动机结合了无功和永磁式步进电动机的优点，具有较小的步进角，较大的功率和良好的动态性能，是目前性能最高的步进电动机。又称永磁感应子式步进电机。

2.步进电动机的工作原理

图1三相无功步进电动机的结构示意图

1——定子2——转子3——定子绕组{{page}}

图1是最常见的三相无功步进电动机的示意性剖视图。电动机的定子中有6个均匀分布的磁极，夹角为60o。每个极都覆盖有一个线圈，并按照图1连接形成A，B和C三相绕组。转子中均匀分布有40个小齿。因此，每个齿的齿距为θE=360o/40=9°，并且在定子的每个极的极弧中有5个小齿，并且定子和转子的齿距和齿宽相同。由于定子和转子的小齿数分别为30和40，因此该比率是分数，导致所谓的齿数偏差。如图1所示，当A相极的小齿与转子的小齿对齐时，B相和C相的极齿与转子的齿偏移一个。这是一个3度的音高。因此，B极和C极下的磁阻大于A极下的磁阻。当B相通电时，B相绕组会产生定子磁场，并且磁场线会穿过B相磁极，并尝试以最小的阻力沿路径闭合，从而使转子随动旋转。磁极B的齿与转子的齿对齐，反作用转矩（磁阻转矩）直到转子旋转3o为止，磁极A和C下的齿偏离转子齿。间距的1/3。然后停止B相绕组的通电，并转换为C相绕组。同样，转子在反作用转矩的作用下顺时针旋转3o。同样，当三相绕组按A→B→C→A的顺序通电时，转子顺时针旋转，每个传导脉冲以规则的步长旋转3o。当改变通电顺序并按A→C→B→A的顺序循环通电时，转子将逆时针旋转，同时每个通电脉冲有规律地旋转3o。 之所以称为单3位工作模式，是因为一次只给单相绕组通电，然后根据这三种通电状态周期性地通电。在单次3位操作中，步距角θb为30°。三相步进电动机还具有两种通电模式。即，按照AB→BC→CA→AB的顺序进行通电，即A→AB的单双6位运算。 →B→BC→C→CA→A是定期供电的方法。以6拍运行可将步距角减半。无功步进电机的步距角可以如下计算。

θb=360o/NEr（1）

公式中的Er——转子齿数

N——跑步节拍，N=km，m是步进电机的绕组相数，k=1或2。

3.步进电机驱动方法

步进电机不能直接连接到工频交流或直流电源，但需要使用专用的步进电机驱动器，如图2所示，它由脉冲发生控制装置，电源驱动器组成。单元，保护单元等在图中，用虚线包围的两个设备可以由微型计算机控制。驱动单元直接连接到步进电动机，并且也可以理解为此处简要介绍的步进电动机微计算机控制器的电源接口。

图2步进电机驱动控制器

1.单电压电源驱动器接口

实际电路如图3所示。电动机绕组电路具有电阻器Rs，以减小电动机电路的时间常数。电动机可以在高频下产生更大的电磁转矩，并且可以减轻电动机的低频共振，但是这是另外发生的。伤亡。通常，在简单的单电压驱动电路中Rs是必不可少的。步进电机单步响应的Rs改善如图3（b）所示。 {{Paging}}

图3单电压电源驱动器界面和单步响应曲线

图4双电压电源驱动器接口

2.双电压电源驱动器接口

双电压驱动器的电源接口如图4所示。双电压驱动的基本概念是在低（低频段）以低压UL进行驱动，而在高速（高频段）以较高电压UH进行驱动。这种电源接口需要两个控制信号。 Uh是高压有效控制信号，U是脉冲宽度调制驱动控制信号。在图中，功率管TH和二极管DL构成功率转换电路。当Uh为低时，TH截止，DL为正偏置，低压UL为绕组供电。相反，当Uh处于高电平时，TH导通，DL反向偏置，并且高压UH为绕组供电。这种电路可以使电动机在高频范围内具有更大的输出，并在停止静态锁定时降低了功耗。

3.高压和低压电源驱动器接口

图5高压和低压电源驱动器接口

高压和低压电源驱动器接口如图5所示。高压和低压驱动器的设计思想是使用高压UH电源来增加导电相绕组的电流前沿，而与电动机的工作频率无关，并且在该前沿之后，使用一个低电压UL保持绕组电流。这种效果还改善了驱动器的高频性能，并消除了额外的损耗，因为不需要将电阻器R串联连接。高压和低压驱动器电源接口还具有两个输入控制信号Uh和Ul，必须保持同步（如图5所示），并且前沿同时跳跃。在图中，高压管VTH的导通时间t1不能太大或太小。如果太大，电动机电流将过载，如果太小，动态性能将不会得到很大改善。通常，它可以是1到3毫秒。 （当该值等于电动机的电气时间常数时，更合适。）

4.切断恒流电源驱动器界面

恒定电流驱动器的设计思想是将导电相绕组中的电流保持在固定值，而与锁定，低频或高频操作无关。确保电动机具有恒定的转矩输出特性。这是一种电源接口，您可以更经常使用它并获得更好的效果。图6是斩波器恒流电源接口的示意图。在图中，R是用于电流采样的小型电阻器，称为采样电阻器。如果电流不大，则由工作脉冲同时控制VT1和VT2，并且当电流超过给定的恒定电流值时，VT2将被切断，电源U将被切断。由于电动机绕组具有较大的电感，因此二极管VD续流以保持绕组电流，电动机通过消耗电感的磁场能量来发电。此时，电流根据指数曲线减小，并且相同的电流采样值减小。当电流小于恒定电流值时，VT2接通，电源再次接通。重复地，电动机绕组电流稳定在由给定水平确定的值，从而形成小的锯齿波，如图6所示。

图6切断恒流电源驱动器界面

斩波器恒流电源驱动接口具有两个输入控制信号，其中u1是数字脉冲，u2是模拟信号。该电源接口的特点是高频响应大大改善，输出特性接近恒定转矩，消除了谐振现象，但电路更加复杂。相应的集成电源模块当前可用。

5.上转换升压电源驱动器接口

为了进一步改善驱动系统的高频响应，可以使用高频升压电源驱动器接口。在此接口处提供给绕组的电压与电动机的工作频率成线性关系。主回路实际上是一个开关稳定电源，它使用变频器将驱动脉冲的频率转换为DC电平，DC使用该电平来控制组成该频率的开关稳定电源的输入。反馈电源驱动器接口。

6.集成的电源驱动器接口

当前，您可以从用于低功率步进电机的各种集成功率驱动接口电路中进行选择。

L298芯片被设计为接受标准的TTL逻辑电平信号，并且是一种H桥驱动器，可用于驱动感性负载。 H桥可以承受46V的电压和高达2.5A的相电流。 L298的逻辑电路（或XQ298，SGS298）使用5V电源，功率放大器级使用5至46V电压。下部的桥式发射极都单独绘制以访问电流采样电阻。 L298等采用工业级15引脚双列直插小瓦封装。内部结构如图7所示。 H桥驱动器的主要特征是它可以在正向和负向两个方向上向电动机绕组供电。 L298特别适合于驱动两相或四相步进电动机。 {{Paging}}

图7 L298框图

类似于L298的电路是TER Company的3717，这是一个单H桥电路。 SGS的SG3635是单桥臂电路，IR的IR2130是三相桥电路，Allegro拥有A2916，A3953和其他低功耗驱动器模块。

图8是具有恒定电流斩波功能的步进电机驱动系统，使用L297（专用于环形分配器的芯片）和L298。

图8由专用芯片组成的步进电驱动系统