【導讀】步進(jìn)電機具有獨特的開(kāi)環(huán)位置控制性能，這使它在智能時(shí)代廣受歡迎。為確保步進(jìn)電機在旋轉時(shí)輸出扭矩的平滑，需要考慮每個(gè)器件獨特的需求。而電機旋轉的穩定性則與其物理結構和控制模式密切相關(guān)。
本文將介紹雙極性步進(jìn)電機及其結構和控制模式。
雙極性步進(jìn)電機的基本組件
步進(jìn)電機屬于直無(wú)刷(BLDC) 電機，它按照等長(cháng)的步進(jìn)值逐步轉動(dòng)。而雙極性步進(jìn)電機則是每相都擁有一個(gè)繞組的步進(jìn)電機，具體而言，為兩相四線(xiàn)步進(jìn)電機。它由定子和轉子兩個(gè)主要部件組成（見(jiàn)圖 1）。
圖1: 雙極性步進(jìn)電機的結構示意圖
定子
定子是電機的靜止部分。繞組繞在8個(gè)定子上，每個(gè)定子的磁芯上都有5個(gè)齒（見(jiàn)圖1）。
A 相的繞組從定子 1 開(kāi)始，然后依次繞到定子 3、定子 5 和定子 7（見(jiàn)圖 2）。 注意，定子1和定子5的繞組方向相同，而定子3和定子7的繞組方向相同。這兩組繞組（定子 1 和定子 5，以及定子 3 和定子 7）的繞線(xiàn)方向相反。B相的繞組原理與之相同，其中定子4和定子8為一組，定子2和定子6為一組。
圖2: 雙極性步進(jìn)電機的繞組原理圖
轉子
通常轉子上貼有軸向充磁的永磁體。 圖 3 所示為轉子的結構。
圖3: 轉子結構
圖4展示了轉子的側視截面圖。
圖4：轉子側視截面圖
永磁體的磁力線(xiàn)在電機主體中形成閉合。由于磁力線(xiàn)和磁阻效應，步進(jìn)電機即使在不通電的情況下也有一定的鎖定力矩（見(jiàn)圖4）。
根據齒數和相位結構，轉子共有50個(gè)齒與定子齒輪相對，步進(jìn)角度為1.8度（見(jiàn)圖5）。步進(jìn)角度定義為當電氣周期完成90度時(shí)，步進(jìn)電機轉子向前移動(dòng)的機械角度。
圖5: 1.8°步進(jìn)角度
步進(jìn)模式
將雙極性步進(jìn)電機的結構簡(jiǎn)化可以更好地理解其控制方法（見(jiàn)圖6）。
圖 6：雙極性步進(jìn)電機的簡(jiǎn)化示意圖
步進(jìn)電機的定子和轉子可以被看作只有一個(gè)齒，這使步進(jìn)電機的驅動(dòng)方式不同于其他電機。這種方法稱(chēng)為雙全橋驅動(dòng)，其中 A 相繞組連接到第一個(gè)全橋驅動(dòng)器，而 B 相繞組連接到第二個(gè)全橋驅動(dòng)器（見(jiàn)圖 7）。
圖 7：雙全橋驅動(dòng)器電路圖
雙極性步進(jìn)電機具有三種控制模式：?jiǎn)蜗嗖竭M(jìn)、整步步進(jìn)和半步步進(jìn)（見(jiàn)表 1）。
表1: 步進(jìn)電機的控制模式
單相步進(jìn)
當電機按單相步進(jìn)方式依次驅動(dòng)A相和B相時(shí)，定子磁場(chǎng)發(fā)生變化，轉子因極性吸引而轉動(dòng)。表1中詳細描述了 A 相和 B 相 (AB) 的通電順序和轉子的旋轉位置。
單相步進(jìn)過(guò)程具體包括三個(gè)步驟，如下所述：
1. A相被驅動(dòng)時(shí)，驅動(dòng)電流從Q1流向Q4。在此期間，定子 A 的上端在 N，下端在 S，轉子轉到位置 8（見(jiàn)圖 6）。
2. 接下來(lái)，B相被驅動(dòng)，驅動(dòng)電流從Q5流向Q8。定子 B 的一端在 S，另一端在 N，轉子轉到位置 2（見(jiàn)圖 6）。
3. 在接下來(lái)的兩個(gè)狀態(tài)中，轉子在循環(huán)啟動(dòng)順序后開(kāi)始旋轉。
圖 8 顯示了單相步進(jìn)期間 AB 相的電流波形。
圖 8：AB 相的單相步進(jìn)電流波形
整步步進(jìn)
與單相步進(jìn)不同，A 相和 B 相繞組在整步模式下將被同時(shí)驅動(dòng)。另外還有四種對應的通電模式和轉子電氣位置；其位置空間在電氣空間上不同于單相步進(jìn)。 轉子可以根據器件的啟動(dòng)順序旋轉。圖 9 顯示了 AB 相的整步電流波形。
圖 9：整步（AB 相電流波形）
半步步進(jìn)
在半步模式下，單相和整步步進(jìn)共同工作，可以提供更多的電氣角度位置、更詳細的電流波形和更平滑的旋轉。
圖 10 顯示了單相到兩相操作的非循環(huán)半步模式。 這種模式在整步和半步之間交替生成 8 步序列。
圖 10：非循環(huán)半步模式
結語(yǔ)
本文回顧了雙極性步進(jìn)電機的基本組件（定子和轉子），及其三種主要的控制模式：?jiǎn)蜗嗖竭M(jìn)、整步步進(jìn)和半步步進(jìn)。在下一篇文章中，我們將討論雙全橋驅動(dòng)的微步進(jìn)模式。
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