二相混合式步进电机是一种混合式电机
二相混合式步进电机由定子和转子两部分组成。常见的定子有8个极或4个极极面上均匀分布一定数量的小齿;极上线圈能以两个方姠通电。它的转子也由圆周上均布一定数量小齿的两块齿片等组成这两块齿片相互错开半个齿距。两块齿片中间夹有一只轴向充磁的环形永久磁钢显然，同一段转子片上的所有齿都具有相同极性而两块不同段的转子片的极性相反。
混合式步进电机由定子和转子两部分組成常见的定子有8个极或4个极，极面上均匀分布一定数量的小齿;极上线圈能以两个方向通电形成A相和万相，B相和B相它的转子也由圆周上均布一定数量小齿的两块齿片等组成。这两块齿片相互错开半个齿距两块齿片中间夹有一只轴向充磁的环形永久磁钢。显然同一段转子片上的所有齿都具有相同极性，而两块不同段的转子片的极性相反混合式步进电机的结构图如图3-l.图3-2是四相混合式步进电机以圆周展开的剖面模型。上图是转子S极所出的剖面图下图是N极剖面图。图中定子齿距和转子齿距相同。先考虑磁极I和磁极IB下面的磁场定子線圈通电后，磁极I产生N极磁极m产生S极
因为N极这段的转子齿和S极转子齿相互错开半个齿距，所以仅靠定子电流磁场并不能向磁阻式电机那样产生有意义的转矩。但是把永久磁钢产生的磁场叠加上去，情况就不一样了因为磁极I下面的两冷磁场相互增强，因此产生向左的驅动力;而磁极m下面的两个分量相互抵消向右的力大大削弱。再看下图磁极m下面的定子磁场和转子磁场方向相同，磁极I下面的磁场方向楿反最终得到向左的合力。转子在驱动力的作用下将转过工齿距驱动力降为零，达到平衡位置
如果切断磁极I、III的激磁，同时向磁极II , IV仩的线圈通入电流分别产生S极和N极。转子将向左再走一步按照特定的时序激磁，如A-B -A -B-A-"'电机就能沿逆时针方向连续旋转。改变激磁时序以A-B-A-B-A-…激磁，电机将沿顺时针方向连续旋转
二相混合式步进电机二相混合式步进电机细分驱动原理
混合式步进电动机内部结构特殊，是┅类高度非线性的机电装置 1986年Hanselman采用磁场的“磁网络单元法”来计算反应式步进电机的磁场。1988年G Heine提出了精确的混合式步进电机的等值磁網络模型，首次在模型中考虑了定子极间漏磁通每极边缘转矩对电机矩角特性及步距误差的影响，分析了四相混合式步进电机谐波转矩對电机矩角特性及步距误差的影响但是这种模型耗费的机时量仍然很大
为简化数学分析， 沿用G.Heine提出的混合式步进电机等值磁网络模型鉯典型的二相八极混合式步进电动机，忽略铁心饱和和高次谐波对电机磁系统的影响
(铁心饱和和高次谐波往往是步进电机极限运行时的状況正常运行时，不会对定性分析的结论有原则性的影响)建立了分析细分驱动的简化基本数学模型。混合式步进电动机绕组电感参数的特点与普通电机有区别具有轴向和径向混合的磁系统，定转子双凸结构如图2-1所示的二相混合式步进电机磁网络模型简化磁路图，定子仈个极中在直径上相对的两个极的电磁状态完全相同可以合并。这样电机的每一端只有4条支路
步进电机作为执行元件，是机电一体化嘚关键产品之一广泛应用在各种自戴化设备中。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件当步进驱私器接收到┅个脉冲信号，它就驱动步进申机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的
工业控制中采用如图1所示的定子磁极上带有小齿，转子齿数很多的结构其步距角可以做得很小。如图1两相混合式步进电动机嘚结构图和图2步进电机绕组接线图A,B两相绕组沿径向分相，沿着定子圆周有8个凸出的磁极1,3,5,7磁极属于A相绕组，2, 4, 6,
8磁极属于B相绕组定子侮个極面上有5个齿，极身上有控制绕组转子由环形磁钢和两段铁芯组成，环形磁钢在转子中部轴向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端使得转子轴向分为两个磁极。转子铁芯上均匀分布50个齿两段铁芯上的小齿相互错开半个齿距，定转子的齿距和齿宽相同
二相混合式步进電机两相混合式步进电机的工作过程
当两相控制绕组按AA BB或BB AA的次序轮流通电侮拍只有一相绕组通电，四拍构成一个循环当控制绕组有电鋶通过时，便产生磁动势它与永久磁钢产生的磁动势相互作用，产生电磁转知使转子产生步进运动。
当A相绕组通电时在转子N极端磁極1上的绕组产生的S磁极吸引转子N极，使得磁极1下是齿对齿磁力线由转子N极指向磁极1的齿面，磁极5下也是齿对齿磁极3和7是齿对槽，如图4所示A相通电转子N极端定转子平衡图由于两段转子铁芯上的小齿相互错开半个齿距，在转子S极端磁极1'和5’产生的S极磁场，排斥转子S极與转子正好是齿对槽，磁极3’和7’齿面产生N极磁场吸引转子S极，使得齿对齿A相绕组通电时转子N极端,S极端转子平衡图。
因转子上共有50个齒其齿距角为_宁子仇个极即所占的街数为不是整数，因此当定子的A相通电在转子N极，磁极1的5个齿与转子齿对齿旁边的B相绕组的磁极2嘚5个齿和转子齿有1/4齿距的错位，即1.80如图4所示A相通电时定转子齿展开图画圆圈的地方，A相磁极3的齿和转子就会错位3.6 0实现齿对槽了。磁力線是沿转子N端~A(1)S磁极~导磁环~A(3'
)N磁极~转子S端~转子N端成一闭合曲线。当A相断电B相通电时磁极2产生N极性，吸合离它最近的S极转子7齿使得转子沿順时针方向转过1.80，实现磁极2和转子齿对齿B相绕组通电定转子齿展开图如图5所示，此时磁极3和转子齿有1/4齿距的错位依次类推若继续按四拍的顺序通电，转子就按顺时针方向一步一步地转动侮通电一次即侮来一个脉冲转子转过1.80，即称步距角为1.80转子转过一圈需要3600
在转子S极端也是同样道理，当绕组齿对齿时其旁边一相磁极错位1.803步进电机驱动器步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是對控制脉冲进行环形分配、功率放大使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动
步进电机42BYG250C的驱动器为SH20403。为lOV} 40V直流供电A+, A-,B+, B-端子要连接步进电机的四条引线，DC+, DC-端子接驱动器工作直流电源输入接口电路包括公共端(接输入端子电源正极)、脉冲信号输入端(输入一系列脉冲，内蔀分配以驱动步进电机A,B相)、方向信号输入端(可实现步进电机的正、反转)、脱机信号输入端
步进电机驱动器输入端子功能:
公共端:将输入信号嘚电源正极连接到该端子上为CP,DIR, FREE端子提供，此时对应的内部光祸导通控制信号输入驱动器中。
脉冲信号输入CP:此端子和57-200的高速脉冲输出端(Q0.0戓Q0.1)相连以发出连线高速脉冲驱动步进电机。
方向信号输入DIR:此端子和57-200的输出端Q0.2相连其高电平和低电平控制电机的两个转向。
脱机信号FREE:此端为低电平有效这时电机处于无力知状态
因为在实际的应用当中，步进电机为伺服系统的执行元件所以设计中比较注重位置定位精确囷产生较大转矩等方面，从而在定转子的设计中均为凸极结构并会在极上开有小齿造成了气隙磁场存在着较大的空间谐波，从而导致电機的转矩脉动和转速波动也会比较大容易产生噪声以至于振荡。由于混合式步进电机的气隙磁场分别是由转子永磁体和定子励磁绕组产苼的所以受磁路饱和的影响，当二者相互加强的时候合成的磁通通常是小于两者的线性叠加，这时电机的磁场处于过饱和状态运行效率比较低。另外从混合式步进电机的矩频特性可以看出在转速达到一定数值后，输出转矩会很明显的下降容易失步，有关学者曾就此做了研究提出了降低电流参考值的处理方法但是也只有一定效果，进一步还提出了减少匝数、增大电流的解决方案还有人为了增大步进电机高频时的输出转矩提出了减小电机绕组的L/R时间常数的方法
这些问题也归结为一个振荡和失步的问题。振荡的根本原因是转子到达岼衡位置是还有多余的动能对于此问题，一般采用阻尼和细分控制技术就可以达到较好的输出效果有些国外的学者通过建立共振检测模型，调节励磁绕组电流的方、法来改善步进电机的这个问题还有在对步进电机绕组电流中的谐波分量进行分析过后，通过建立共振阀徝模型来对绕组电压进行补偿的办法而失步的问题有研究显示，转子速度慢于步进电机旋转磁场速度、步进电机及所带负载存在的惯性、步进电机产生的共振等这些现象是严生失步的原因可以通过优化步进电机的加减速曲线，有效的应对惯性转矩对失步产生的影响还囿采用细分控制技术解决这类问题。
从上述问题可以看出混合式步进电机因其控制方面的要求，在设计电机本体的时候就对于电机的谐波控制、运行时的稳定性能方面考虑较少所以在高速运行时转矩的下降会很快，同时工作时的运行效率变低转矩脉动比较明显，造成較大的电机转速波动和振动噪声但是上述问题提到的一些解决方法都是属于步进电机开环控制方式下的优化措施，这样的条件下忽略了轉子永磁体产生的磁场对合成磁场发挥的作用控制的效果并不是很好，所以在这种情况下采用其他控制方式则是另一个比较好的手段
電机的数学模型是控制算法的基础，步进电机的数学模型也是因为数学理论的成熟逐渐发展起来其中Singh-Kuo模型是有代表性的模型，这个模型忽略了磁滞和涡流损耗假设相绕组中产生的磁链随转子位置角按正弦规律变化，绕组电感与转子位置无关等;之后出现了较S ingh-Ku的改进型的Pickup-Russell模型，该模型认为绕组磁链是绕组电流和转子位置的函数[0l;
混合式步进电机系统的性能很大程度取决于控制器的优劣从前述可以看到步进電机主要有开环、闭环、矢量和智能控制等控制方式。开环控制使用方便系统构成简单且成本低，在精度要求不太高的场合有着广泛的應用至今也没有合适的替代产品。但如前所说这种方式存在一个振荡的区域，尤其是低速运行时接近电机的共振区此时振动和噪声嘟比较大。但是对开环控制的改进也是不断地在进行中自1975年美国学者T.
Frederickson首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角細分的控制方法后[ysl，随着微电子和电力电子技术的发展当前世界上混合式步进电机新技术正处在高速的发展之中，智能控制的V}想进入了步进电机的驱动控制领域还出现了具有实时可变的细分一功能驱动控制电路。通过这些年的发展步进电机控制方式逐渐形成了升频升壓控制，恒流斩波控制细分控制，矢量控制位置、速度反馈控制等控制方式，但是新型控制方式的运用还不成熟也没有出现相关产品，而国内虽然研究上取得很大进步但不管是控制器还是控制软件上看和国外还有一定的差距。目前国内外混合式步进电机控制系统在實际中主要有:基于微控制器设计的专用集成芯片基于单片机微处理器等，基于CPLD和PFGA和基于
DSP实现的控制系统随着各个新型控制方式的出现，将高运算速度、功能强大的DSP应用到控制器当中也是目前研究的热点方向
而随着神经网络技术的发展，对于混合式步进电机这种数学模型难以得到的电机来说神经网络却提供了良好的控制工具。神经网络是一种能自学习及自适应不确定系统的智能控制方法它对很复杂嘚非线性系统都可以在很大程度上逼近模拟，并具有极好的容错性和鲁棒性所以随着神经网络技术的不断发展，各项研究也开始越来越哆地关注其在步进电机系统中的应用有研究将神经网络用于实现步进电机最佳细分电流，在学习中使用Bayes正则化算法使用权值调整技术避免多层前向神经网络陷入局部极小点，有效解决了等步距角细分问题
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1. 宋受俊, 刘景林, 韩英桃,等. 二相混合式步进电机驱动器的优化设计[J]. 电氣传动, 2006,
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2. 史敬灼, 徐殿国, 王宗培. 二相混合式步进电机模型参数的辨识[J]. 电工技术学报, 2001,
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