隨著生產過程機械化、電氣化和自動化的不斷發展,出現了各種類型的特種電動機。這些電動機的工作原理,一般與普通的異步電動機和直流電動機的基本原理近似,但是它們在性能、結構、生產工藝上各有其特殊性,多用于自動控制過程中。一般來說,這些電動機的功率不大,小的只有幾分之一瓦,大的也不過幾十瓦或幾百瓦,屬于微型電動機的范圍。

步進電動機
　　一般電動機都是連續旋轉,而步進電動卻是一步一步轉動的,故叫步進電動機。每輸入一個沖信號,該電動機就轉過一定的角度(有的步進電動機可以直接輸出線位移,稱為直線電動機)。因此步進電動機是一種把脈沖變為角度位移(或直線位移)的執行元件。

　　步進電動機的轉子為多極分布,定子上嵌有多相星形連接的控制繞組,由專門電源輸入電脈沖信號,每輸入一個脈沖信號,步進電動機的轉子就前進一步。由于輸入的是脈沖信號,輸出的角位移是斷續的,所以又稱為脈沖電動機。

　　隨著數字控制系統的發展,步進電動機的應用將逐漸擴大。

　　步進電動機的種類很多,按結構可分為反應式和激勵式兩種;按相數分則可分為單相、兩相和多相三種。

圖1 反應式步進電動機的結構示意圖

　　圖1是反應式步進電動機結構示意圖,它的定子具有均勻分布的六個磁極,磁極上繞有繞組。兩個相對的磁極組成一組,聯法如圖所示。

　　下面介紹反應式步進電動機單三拍、六拍及雙三拍通電方式的基本原理。

一、單三拍通電方式的基本原理
　　設A相首先通電(B、C兩相不通電),產生A-A′軸線方向的磁通,并通過轉子形成閉合回路。這時A、A′極就成為電磁鐵的N、S極。在磁場的作用下,轉子總是力圖轉到磁阻最小的位置,也就是要轉到轉子的齒對齊A、A′極的位置(圖2a);接著B相通電(A、C兩相不通電),轉了便順時針方向轉過30°,它的齒和C、C′極對齊(圖2c)。不難理解,當脈沖信號一個一個發來時,如果按A→C→B→A→…的順序通電,則電機轉子便逆時針方向轉動。這種通電方式稱為單三拍方式。

圖2 單三拍通電方式時轉子的位置

二、六拍通電方式的基本原理
　　設A相首先通電,轉子齒與定子A、A′對齊(圖3a)。然后在A相繼續通電的情況下接通B相。這時定子B、B′極對轉子齒2、4產生磁拉力,使轉子順時針方向轉動,但是A、A′極繼續拉住齒1、3,因此,轉子轉到兩個磁拉力平衡為止。這時轉子的位置如圖3b所示,即轉子從圖(a)位置順時針轉過了15°。接著A相斷電,B相繼續通電。這時轉子齒2、4和定子B、B′極對齊(圖c),轉子從圖(b)的位置又轉過了15°。其位置如圖3d所示。這樣,如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A…的順序輪流通電,則轉子便順時針方向一步一步地轉動,步距角15°。電流換接六次,磁場旋轉一周,轉子前進了一個齒距角。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A…的順序通電,則電機轉子逆時針方向轉動。這種通電方式稱為六拍方式。

a.A相通電 b.A、B相通電 c.B相通電 d.B、C相通電 圖3 六拍通電時轉子位置

三、雙三拍通電方式的基本原理
　　如果每次都是兩相通電,即按A、B→B、C→C、A→A、B→…的順序通電,則稱為雙三拍方式,從圖3b,和圖3d可見,步距角也是30°。因此,采用單三拍和雙三拍方式時轉子走三步前進了一個齒距角,每走一步前進了三分之一齒距角;采用六拍方式時,轉子走六步前進了一個齒距角,每走一步前進了六分之一齒距角。因此步距角θ可用下式計算:

θ=360°/Zr×m

　　式中Zr是轉子齒數;m是運行拍數。

　　一般步進電動機最常見的步距角是3°或1．5°。由上式可知,轉子上不只4個齒(齒距角90°),而有40個齒(齒距角為9°)。為了使轉子齒與定子齒對齊,兩者的齒寬和齒距必須相等。因此,定子上除了6個極以外,在每個極面上還有5個和轉子齒一樣的小齒。步進電動機的結構圖如圖4所示。

圖4 三相反應式步進電動機的結構圖

　　由上面介紹可知,步進電動機具有結構簡單、維護方便、精確度高、起動靈敏、停車準確等性能。此外,步進電動機的轉速決定于電脈沖頻率,并與頻率同步。

四、步進電動機的驅動電源
　　步進電動機需配置一個專用的電源供電,電源的作用是讓電動機的控制繞組按照特定的順序通電,即受輸入的電脈沖控制而動作,這個專用電源稱為驅動電源。步進電動機及其驅動電源是一個互相聯系的整體,步進電動機的運行性能是由電動機和驅動電源兩者配合所形成的綜合效果。

1、對驅動電源的基本要求

(1)驅動電源的相數、通電方式和電壓、電流都工滿足步進電動機的需要;

(2)要滿足步進電動機的起動頻率和運行頻率的要求;

(3)能最大限度地抑制步進電動機的振蕩;

(4)工作可靠,抗干擾能力強;

(5)成本低、效率高、安裝和維護方便。

2、驅動電源的組成
　　步進電動機的驅動電源基本上由脈沖發生器、脈沖分配器和脈沖放大器(也稱功率放大器)三部分組成,如圖5所示。

圖5 步進電動機驅動電源的方框圖

　　(1)脈沖發生器
　　　　脈沖發生器是一個脈沖頻率由幾赫到幾十千赫可連續變化的脈沖信號發生器。脈沖發生器可以采用多種線路,最常見的有多諧振蕩器和單結晶體管構成的張弛振蕩器兩種,它們都是通過調節電阻R和電容C的大小來改變電容器充放電的時間常數,以達到改變脈沖信號頻率的目的。圖6是兩種實用的多諧振蕩電路,它們分別由反相器和非門構成,振蕩頻率由RC決定,改變R值即可改變脈沖頻率。

圖6 脈沖發生器實用電器(點擊看大圖)

　　(2)脈沖分配器
　　　　脈沖分配器中由門電路和雙穩態觸發器組成的邏輯電路,它根據指令把脈沖信號按一定的邏輯關系加在脈沖放大器上,使步進電動機按確定的運行方式工作。下面著重介紹CH250環形脈沖分配器。

　　　　CH250環形脈沖分配器是三相步進電動機的理想脈沖分配器,通過其控制端的不同接法可以組成三相雙三拍和三相六拍的不同工作方式,如圖7、圖8所示。

圖7 CH250三相雙三拍接法

圖8 CH250三相六拍接法

　　　　J3r、J3L兩端子是三相雙三拍的控制端,J6r、J6L是三相六拍的控制端,三相雙三拍工作時,若J3r=“1”,而J3L=“0”,則電機正轉;若J3r=“0”,J3L=“1”,則電機反轉;三相六拍供電時,若J6r=“1”,J6L=“0”,則電機正轉;若J6r=“0”,J6L=“1”,電機反轉。R2是雙三拍的復位端,R1是六拍的復位端,使用時,首先將其對應復位端接入高電平,使其進入工作狀態,然后換接到工作位置。CL端是時鐘脈沖輸入端,EN是時鐘脈沖允許端,用以控制時鐘脈沖的允許與否。當脈沖CP由CL端輸入,只有EN端為高電平時,時鐘脈沖的上升沿才起作用。CH250也允許以EN端作脈沖CP的輸入端,此時,只有CL為低電平時,時鐘脈沖的下降沿才起作用。A0、B0、C0為環形分配器的三個輸出端,經過脈沖放大器(功率放大器)后分別接到步進電動機的三相線上。

　　　　CH250環形脈沖分配器的功能關系如表1所列。

工作方式		CL	EN	J3r	J3L	J3r	J3L
六拍	正轉 反轉	0 0		0 0	0 0	1 0	0 1
雙三拍	正轉 反轉	0 0		1 0	0 1	0 0	0 0
六拍	正轉 反轉		1 1	0 0	0 0	1 0	0 1
雙三拍	正轉 反轉		1 1	1 0	0 1	0 0	0 0

　　(3)脈沖放大器(功率放大器)
　　　　由于脈沖分配器輸出端A0、B0、C0的輸出電流很小,如CH250脈沖分配器的輸出電流大約為200-400μA,而步進電動機的驅動電流較大,如75BF001型步進電動機每相靜態電流為3A,為了滿足驅動要求,脈沖分配器輸出的脈沖需經脈沖放大器(即功率放大器)后才能驅動步進電機。圖9是一個實用的脈沖放大電路,圖中使用三級晶體管放大,第一級用3DG6小功率管,第二級用3DK4中功率管,第三級用3DD15大功率管,R6為步進電動機限流電阻,隨所配電機不同而異。

圖9 脈沖放大器實用電路

圖10 高低壓切換驅動電源的原理圖

　　　　圖9所示電路是單電壓型驅動電源,它的特點是:線路簡單,電阻R6與控制繞組串聯后,可以減小回路的時間常數;但是由于R6上要消耗功率,使電源的效率降低,用這種電源供電的步進電動機的起動和運行頻率都不會太高。為了提高電源效率及工作頻率,可采用高、低壓切換型電源,其原理如圖10所示。高壓供電是用來加速電流的增長速度,而低壓是用來維持穩定的電流值。低壓電源中串聯一個數值較小的電阻,其目的是為了調節控制繞組的電流,使各相電流平衡。