步进交流电机机电磁性之魅力

 当我第一次把一块强磁铁放进一个铜管中时，我简直不敢相信我所看到的现象。磁铁漂浮着落下铜管，根本碰不到管壁，地球引力对它来说都不算回事，真是太神奇了!我当时急切想知道这是怎么回事。对我来说，即使是今天，这一实验也是对三个最重要物理定律，安培定律、法拉第定律和楞次定律的最好演示。虽然我所学的专业是机械工程学(在70年代和80年代是纯机械的)，但我还是被与电子机械有关的东西所吸引;所以当我于90年代初在伦斯勒理工学院时就开始了机电一体化工作。机械工程系的学生通常都不太了解麦克斯韦方程组，但对我来说它非常重要，堪与牛顿定律和质量与能量守恒定律相比肩。对机电一体化的实践来说，电子动力学领域是重要基础，它应该成为机电一体化课程的一部分。可令人遗憾的是，实际情况并不是这样。 

那时候在我看来，步进电动机就是机电一体化的缩影，是一个通过在开环控制下对晶体管打开和关闭来驱动的电磁机械数字执行器。利用反电势的闭环控制也是有可能的，对一位机电一体化工程师来说还能需要什么呢?当今的世界到处都是步进电机应用，旋转型或直线型的，其速度、功率和准确性需求都不在话下，但其成本却是个问题。更高力矩密度、更高步进角精确度、驱动的顺畅度和小型化，连同系统的集成性，是步进电机发展趋势中令人关注的几个方面。 

步进电机的本质特征是其把开关励磁变化转变成转子位置(步进)精确定义增量的能力。转子的准确定位是通过电机固定和转动部件之铁齿的磁性取向来实现的。混合步进电机是最常用的类型，并且是受限制工作空间中需要小步进长度和高扭矩应用的自然选择。线圈被安置在定子上，一块永久磁铁安装在转子上。这两部分的转子齿是完全错开的，而定子齿则是完全对准的。 

这是一台混合步进电机 

一般来说有八个定子极，每一定子极有两到六个齿。有两个线圈(相位)，每个线圈固定在四个定子极上。磁通量的主要来源是转子永久磁铁;在一个或两个线圈中的直流电流沿交替途径来引导磁通量。

现在，大多数的运动控制系统都需要高速度、高准确性和高分辨率以及对系统变化的鲁棒性。运动控制系统都有时间变化和位置变化特点：惯性，粘滞摩擦，导致粘滑表现的非线性干摩擦，挠性皮带、联轴节和主轴的柔性变化，齿轮的间隙。理解这些现象并且使之模型化对系统的机电一体化设计来说是必不可少的。困难点是为某一运动参数，也就是为产生理想系统运动而相位被驱动的次数，来确定通常处于半步运作中的步进状态顺序。模型做得越好，面对系统变化具有稳健表现的步进状态顺序就会开发的越好。 

你的应用是如何使用步进电机的?你是怎样为运动质量和运动鲁棒性生成步进状态顺序的?

如何简化步进电机系统设计

现代步进电机驱动系统通常使用集成电路功率芯片驱动电机运转，有时可能还会集成一些简单的控制功能，像电流控制。有些较先进的控制芯片还集成一个状态机，对步进电机的步进顺序进行相应的控制。一般而言，步进时序和运动曲线是由一个外部微控制器或专用的ASIC逻辑电路控制的。如果需要控制多台电机，解决办法无非是给每台电机安装专用逻辑电路或者在微控制器上安装每台电机的控制软件。通过在一颗芯片上集成一个数字控制内核和驱动电路，意法半导体的新产品 L6470可简化多电机控制系统的设计。这款新IC采用电压控制模式，能够以1/128微步进管理用户设置的运动曲线，而且这些操作对主微控制器的负荷影响微乎其微。在采用该控制器的系统中，因为微控制器只需向控制器发出高级运动命令，所以只用一个微控制器即可轻松管理多台电机。 

电压控制式微步进 

通常情况下，步进电机驱动电路是电流式控制设计，电流控制器监测并控制绕组电流强度。这种结构让设计人员能够在宽转速范围内保持所需的转矩，而且电源电压波动很小。这种设计非常适合全步和半步驱动器，而且也易于实现。很多设计人员避免在微步进驱动器中使用电压控制方式，因为电源电压变化导致峰流有很大变化，而且，随着转速提高，电机的反电动势（EMF ）也会增强。不过，利用数字控制技术可以修正这些不利因素。 

为实现这种电压控制式驱动电路，需要利用一个PWM计数器/定时器电路来控制输出脉宽，以数字方式设置输出占空比。L6470通过在电机绕组上施加电压来控制相电流。虽然不能直接控制相电流的幅度，但是，相电流与相电压的大小、负载、转矩、高压电机电学特性和转速密切相关。有效输出电压与电机电源电压和KVAL系数的积成正比。KVAL的取值范围是电源电压的0%到100%。在微步进驱动器中，这个最大值再乘以调制指数，可产生所选步数的正弦波。峰值电压由下面的公式得出：