混合式步进电机的工作原理

导言

的混合式步进电机工作原理:是电磁和机械设计的迷人融合。与连续旋转的简单直流电机不同，步进电机以精确的角度增量 (步长) 移动。混合式步进电机通过交替地激励定子绕组以产生与包含永磁体的特殊设计的带齿转子相互作用的磁场来实现这些步骤。

本文逐步解释了混合式步进电机操作，从基本的磁性原理到详细的步进顺序。我们还介绍了步距角、制动扭矩和微步等关键概念。

基本原理: 磁阻 + 永磁体磁通

两个磁现象一起工作在一个混合式步进电机:

1. 永磁体磁通-转子中的轴向磁化的永磁体产生固定磁场。一个转子杯向北极化，另一个向南极化。

2. 磁阻转矩-当定子齿通电时，磁路优选最小磁阻 (最小气隙) 的路径。转子齿与定子齿对齐以最小化气隙。

通过激励不同的定子相，定子磁场旋转，从而拉动转子。由于转子齿在两个罩杯之间偏移，因此电动机可以实现半步增量，从而使分辨率加倍。

步进工作顺序 (两相，1.8 ° 混合式步进电机)

让我们使用一个共同的2阶段混合式步进电机具有50个转子齿和8个定子极。步距角为1.8 ° (200步/转)。转子有两个杯-杯A和杯B-每个杯有50个齿，但偏移半个齿距 (机械3.6 °)。

相位1: 激励相位A + (电流在相位A绕组中单向流动)

• 相A的定子磁极被磁化，在一些齿上产生南极，在另一些齿上产生北。

• 转子杯A (例如北极化) 将其齿与定子南极对齐，以最大程度地减少气隙。

• 转子杯B (南极化) 将其齿与定子北极对齐。

• 结果: 转子锁定到一个稳定的位置。

相位2: 断开相位A，接通相位B +

• 定子磁场偏移1.8 ° 电。

• 现在，杯A的转子齿与先前的定子极略微未对准。

• 磁阻转矩将转子拉到新的平衡，其中杯A齿与新激励的B相极对齐。

• 转子旋转正好1.8 ° 机械。

相位3: 以相反的极性 (A ‑) 给相位A通电

• A相电流反转。定子磁极切换磁极性。

• 因为两个转子杯具有相反的永磁体极性，所以转子前进另一个1.8 °。

相位4: 以相反的极性 (B-) 给相位B通电

• 序列的最后一步。在此之后，重复该模式。

重要提示:如果修改了相电流序列 (波形驱动或半步驱动)，则两个转子杯之间的偏移 (半齿距) 允许电机采取半步。

转子齿和定子齿的作用:

A混合式步进电机依靠齿数来确定步距角:

• 转子齿数 (N_r)-对于1.8 ° 电机通常为50，对于0.9 ° 电机为100。

• 定子磁极-通常为8个，每个具有多个齿 (例如，每个磁极5个齿，总共40个定子齿)。

对准发生在转子齿和定子齿之间。因为齿很小，所以转子以非常精细的增量移动。这就是为什么a混合式步进电机在没有变速箱的情况下实现高精度。

磁路分析

考虑混合式步进电机的横截面:

• 永磁体产生磁通，该磁通轴向地流过一个转子杯，径向地穿过气隙，穿过定子，然后轴向地穿过另一个杯，并且返回。

• 定子绕组叠加附加磁通。当一个相被激励时，一些齿中的总磁通量增加 (辅助永磁体磁通量)，而在其他齿中减少 (相反)。

• 这产生了与转子对齐的净扭矩，以使系统中的磁能最小化。

关键方程(简体):
扭矩 𝑇 ∝ Φ 𝑃⋅⋅ Φ 𝑤𝑖𝑑𝑖𝑖⋅⋅⋅sinsin (𝜃𝑒)T∝Φ下午⋅Φ绕组⋅ 罪 (θe)
其中 𝜃𝑒θe是定子和转子磁场之间的电角度误差。

步进模式: 混合式步进电机如何移动

A混合式步进电机可以在几种模式下驱动:

每转模式步数 (1.8 ° 电机) TorqueSmoothness全步进 (2相开启) 200HighModerateHalf步进400中bettermicrostepping (例如，1/16)3200降低非常平滑

在完整步骤(同时通电的两相)，转子对准单相通电的两个相邻全步位置之间的位置，与波驱动相比，保持扭矩增加了约40%。

在微步进,相电流被正弦调制，允许转子在任何中间位置停止。这是一个主要的优势混合式步进电机超过其他步进电机类型。

混合式步进电机的制动转矩

即使当电动机由于永磁体与定子齿相互作用而未通电时，也会发生制动 (齿槽) 转矩。在一个混合式步进电机,制动转矩通常是保持转矩的5-10%-远低于永磁步进电机。该低定位扭矩允许平稳启动和停止。

实际示例: 通电顺序表

对于2相混合步进电机 (a相和B相)，两个相始终开启的全步序列 (最常见) 为:

步进相位A电流相位B电流转子位置 (电气)0 + I + I0 ° 1 + I-I45 ° 2-I-I90 ° 3-I + I135 ° 4 + I + I180 ° (同步骤0机械偏移1.8 °)

对于1.8 ° 电机，每个电循环对应于4个整步 = 7.2 ° 机械旋转 (因为7.2 ° / 1.8 ° = 每个电循环4步)。

常见的误解

1. “混合式步进电机只是一个带齿的永磁电机。
   -假的.轴向磁铁和两杯转子是混合动力车独有的。

2. “混合式步进电机不能高速运行。
   -使用适当的驱动器，它们可以达到2000 3000 RPM，但扭矩会降低。对于非常高的速度，伺服电机更好。

3. “工作原理与VR步进电机相同。
   -不，VR没有磁铁，因此没有保持扭矩时，无动力。混合动力使用磁铁和磁阻。

结论

的混合式步进电机工作原理:优雅地结合了永磁磁通和可变磁阻，以实现精确，可重复的步骤。通过依次激励定子相，定子磁场旋转并拖动带齿转子。独特的带轴向磁铁的双杯转子允许非常精细的步进角 (0.9 °-1.8 °)，使混合式步进电机成为现代运动控制的支柱。