工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中有大量的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用，比如自動(dòng)化控制，機(jī)器人關(guān)節(jié)，打印機(jī)控制等等。其中應(yīng)用最廣泛的是混合式步進(jìn)電機(jī)，也是我們?nèi)粘＝佑|到的絕大部分步進(jìn)電機(jī)的形式。在概念上，步進(jìn)電機(jī)和變磁阻電機(jī)也存在一定的聯(lián)系和差別，本文就初步淺談一下磁阻電機(jī)/步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，并且比較一下不同電機(jī)之間的差別。

1、變磁阻電機(jī)

變磁阻電機(jī)(Variable-Reluctance Machine)也被稱為開關(guān)磁阻電機(jī)，也許是所有電機(jī)結(jié)構(gòu)中最簡(jiǎn)單的電機(jī)，由裝有勵(lì)磁繞組的定子和具有凸極結(jié)構(gòu)的鐵磁轉(zhuǎn)子構(gòu)成。轉(zhuǎn)子沒(méi)有線圈繞組以及永磁體，依靠轉(zhuǎn)子在不同位置磁阻的變化產(chǎn)生電磁力(dΨ/dθ)。我們知道，磁通總是傾向穿過(guò)磁阻最小的路徑。如圖1.1所示，S1 S2控制電流開啟和關(guān)斷，VD1 VD2 為電流的續(xù)流二極管。圖示位置中AA'和aa'的位置磁阻最大，CC'的磁阻最小，如果此時(shí)D相通電，轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);如果此時(shí)B相通電，轉(zhuǎn)子將順時(shí)針旋轉(zhuǎn);如果此時(shí)A相通電，轉(zhuǎn)子保持維持不變。需要注意的是，開關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)法通過(guò)電流方向的改變實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的改變，而是通過(guò)改變通電時(shí)序的變化實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

順時(shí)針旋轉(zhuǎn)通電順序：B-A-D-C

逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)通電順訊：D-A-B-C

由于電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中磁阻的變化劇烈，因此磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)將變得很高，為了保證電機(jī)能夠平穩(wěn)高效的運(yùn)行，控制磁阻電機(jī)需要知道轉(zhuǎn)子的位置，負(fù)載的狀態(tài)，速度的狀態(tài)等信息。并且磁阻電機(jī)的模型沒(méi)有永磁同步電機(jī)/異步電機(jī)有很好線性度，需要大量的預(yù)測(cè)模型和算法進(jìn)行控制精度的提升，這無(wú)疑是增加了磁阻電機(jī)控制的難度。

圖1.1 變磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

2、從變磁阻電機(jī)到步進(jìn)電機(jī)

變磁阻電機(jī)由于其特殊的控制方式(脈沖式交替導(dǎo)通)，增加定子和轉(zhuǎn)子的突極數(shù)量或者增加定子的通電相數(shù)，可以將移動(dòng)角度進(jìn)行細(xì)分。這種細(xì)分的結(jié)構(gòu)有很多種，角扭矩特性也不一樣，就不展開進(jìn)行討論。本文將探討幾種常見(jiàn)的變磁阻電機(jī)機(jī)構(gòu)，從不同的維度看看步進(jìn)電機(jī)是如何從千變?nèi)f化的變磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)中脫穎而出的。

2.1 城堡式變磁阻電機(jī)

前面說(shuō)到增加突極數(shù)量，可以將移動(dòng)的角度進(jìn)行細(xì)分，但是越多的突極將會(huì)占用大量的線圈空間，電機(jī)繞線效率降低，不能無(wú)限制的增加突極。在驅(qū)動(dòng)相數(shù)不變的情況下，通過(guò)在突極上刻上一個(gè)個(gè)小齒，同樣可以將機(jī)距角進(jìn)行細(xì)分。如圖2.1所示，為三相城堡式變磁阻電機(jī)，定子為6極，每極4齒，轉(zhuǎn)子為28極。依次對(duì)線圈1，線圈2，線圈3進(jìn)行通電，可以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每一步的步進(jìn)距離為2β/3。β值需要根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)的齒槽比進(jìn)行設(shè)計(jì)，這里不展開討論。

這種電機(jī)一般應(yīng)用在低速、大扭矩和精密角度分辨率的場(chǎng)合，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以稱為“步進(jìn)電機(jī)”，因?yàn)樵撾姍C(jī)的控制以及可以脫離位置檢測(cè)，通過(guò)脈沖序列驅(qū)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)比較平穩(wěn)的控制。

圖2.1 三相城堡式變磁阻電機(jī)

2.2 多段式變磁阻電機(jī)

由單個(gè)轉(zhuǎn)子和具有多相繞組構(gòu)成的變磁阻電機(jī)，也被稱為“單段式變磁阻電機(jī)”。另外一種變磁阻電機(jī)是將轉(zhuǎn)子和定子分為很多段，可以在不增加定子相數(shù)的情況下進(jìn)行細(xì)分，并且對(duì)定子的繞線結(jié)構(gòu)更友好，可以設(shè)置一段一相，幾乎取消的多相電機(jī)互繞的端部。對(duì)于n段電機(jī)，各段的轉(zhuǎn)子或者定子錯(cuò)開其極距角的1/n，可將極距進(jìn)一步進(jìn)行n倍細(xì)分。

圖2.2 三段三相式變磁阻電機(jī)

2.3 混合式步進(jìn)電機(jī)

單純的變磁阻電機(jī)，旋轉(zhuǎn)的方向取決于脈沖電流的時(shí)序和電機(jī)磁阻結(jié)構(gòu)，而不受電流方向的影響。在不通電流的情況下，由于沒(méi)有磁阻轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不能固定在特定的位置，這將進(jìn)一步增加控制的難度。在原有的開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加入永磁體，構(gòu)成永磁式或者混合式變磁阻電機(jī)，能夠顯著提高步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和位置精度，這也是目前最常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)。

如圖2.2所示，混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)上很像多段式變磁阻電機(jī)，在轉(zhuǎn)子的兩段之間插入永磁體，可以看出在近端為N極遠(yuǎn)端為S極。定子可以設(shè)計(jì)為單段電機(jī)的結(jié)構(gòu)，并且只需要兩相驅(qū)動(dòng)，大大簡(jiǎn)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)和成本。圖示電機(jī)的轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為3，因此一個(gè)電周期對(duì)應(yīng)的機(jī)械角度為360/(2*3)=60。

為了便于理解，θ為機(jī)械角度，具體的驅(qū)動(dòng)順序：

θ=0~10，相1和相2 同時(shí)通幅值相等的正電流

θ=10~20，相2單獨(dú)通正電流

θ=20~30，相1單獨(dú)通負(fù)電流

θ=30~40，相1和相2 同時(shí)通幅值相等的負(fù)電流

θ=40~50，相2單獨(dú)通負(fù)電流

θ=50~60，相1單獨(dú)通正電流

循環(huán)導(dǎo)通……

圖2.2 混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)

3、步進(jìn)電機(jī)的控制

如圖3.1所示，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)一般可以分為雙極性電機(jī)和單極性電機(jī)：?jiǎn)螛O性電機(jī)通過(guò)繞組的交替導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)磁通方向的改變，雙極性電機(jī)通過(guò)H橋的控制實(shí)現(xiàn)電流方向的改變，從而實(shí)現(xiàn)磁通方向的改變。單極性電機(jī)只需要4顆功率MOS，對(duì)電流進(jìn)行單極控制(從MOS管角度)，但是電機(jī)繞線上需要多一個(gè)抽頭;雙極性電機(jī)在結(jié)構(gòu)上更簡(jiǎn)單，兩個(gè)繞組利用率高，但是需要增加到8顆功率MOS進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制器的成本會(huì)上升。

圖3.1 單極性和雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)除了在電機(jī)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行細(xì)分，還可以通過(guò)控制電流的波形來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分精度。細(xì)分的原理是在最小的步距角之間插入模擬出來(lái)的正弦波電流，以對(duì)步距角進(jìn)行細(xì)分，該細(xì)分方式也稱為電流細(xì)分。

圖3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的細(xì)分

3.1 電流閉環(huán)

步進(jìn)電機(jī)的電流的設(shè)定需要根據(jù)負(fù)載的需求的進(jìn)行確定，負(fù)載越大需要的驅(qū)動(dòng)電流越大，但是開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)無(wú)法感知負(fù)載的大小，往往造成了開環(huán)驅(qū)動(dòng)的效率不高。電流細(xì)分需要對(duì)電流進(jìn)行精確的控制，需要形成受控電流的閉環(huán)，也即是電流輸出為恒流特性;另一方面，由于步進(jìn)電機(jī)中的磁阻變化的非線性，需要時(shí)刻監(jiān)控輸出電流的大小防止由于鐵芯飽和導(dǎo)致電流的失控。如下圖3.3，為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB67S109AFNG對(duì)電流控制的波形原理圖。Fchop為內(nèi)部開關(guān)周期，通過(guò)內(nèi)部時(shí)鐘(Internal OSC)分頻得到。

具體的恒流控制步驟如下：

H橋?qū)ǎ娏餮杆偕仙罭F，電流上升的斜率為VDC/Ls

到達(dá)設(shè)定的電流點(diǎn)NF，關(guān)斷H橋，電流通過(guò)續(xù)流二極管進(jìn)行續(xù)流，下降的斜率為-VDC/Ls(Fast變化)

當(dāng)電流到達(dá)設(shè)定點(diǎn)下線值，控制H橋進(jìn)行電感線圈短路(一般為下橋)，保持電流不變(Slow變化)

當(dāng)電流的設(shè)定點(diǎn)發(fā)生變化，H橋通過(guò)相同的控制策略控制電流在最新的電流設(shè)定點(diǎn)保持恒定

如圖 3.4所示，是步進(jìn)電機(jī)的實(shí)測(cè)波形，如果細(xì)分的精度較低可以看出明顯的階梯狀電流波形,。如果細(xì)分的程度很高，那么電流就越接近于正弦電流，如圖3.5所示。

圖3.3 TB67S109AFNG電流控制

圖3.4 步進(jìn)電機(jī)實(shí)測(cè)電流(未細(xì)分)

圖3.5 步進(jìn)電機(jī)實(shí)測(cè)電流(細(xì)分)

3.2 開環(huán)控制和閉環(huán)控制

開環(huán)控制，由于不反饋轉(zhuǎn)子位置信息，本質(zhì)上是不知道系統(tǒng)是否被控制跟隨的。如果存在一些負(fù)載異常突變，很容易造成步進(jìn)電機(jī)的丟步。在一些高精度、高性能的應(yīng)用場(chǎng)合，可以通過(guò)編碼器或者其他的位置傳感器回傳位置信息，這樣在可以步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是否已經(jīng)發(fā)生丟步，如果丟步將補(bǔ)發(fā)丟失的脈沖，在控制上也是比較容易實(shí)現(xiàn)的。

圖3.6 閉環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)

小結(jié)

本文簡(jiǎn)述了變磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及其向步進(jìn)電機(jī)的演變，比較了幾種常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制邏輯。介紹了步進(jìn)電機(jī)控制原理及電流細(xì)分的控制細(xì)節(jié)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)具有比較全面的了解。