摘 要：众所周知，步进电动机的步距角主要由它的相数和转子齿数决定。即使采取微步驱动技术，步距角可以细分，也仍在一定程度上受到转子齿数的限制，本文提出一种通电方式的新设计，打破了这种限制，使步进电动机的步距角可以更灵活，更好地满足用户系统的要求，也可简化步进电动机生产的规格品种，对生产制造业有利。
关键词：混合式步进电动机；通电方式；步距角
NEW DESIGN OF STEP MODE FOR 2-PHASE HB STEPPING MOTORS
CHENG Zhi
(Zhejiang University)
REN Lei
(Tsinghua University)
WANG Zongpei
(Harbin Institute of Technology)
Abstract：The step angle of stepping motors is determined by their numbers of phase and numbers of rotor tooth. Even with the use of the micro-stepping drive technique, the step angle is still limited in some extent by number of teeth. In this paper, a new design of step mode is provided. The step angle can be easily selected with the advantage of this technique. And the specifications of drive can also be simplified.
Keywords：hybrid stepping motor, step mode, step angle▲
1 引言
步进电动机驱动器的基本组成包括：功率驱动部分(功放)，和控制脉冲讯号逻辑分配控制部分(环分)，传统驱动器的环分部分通常给出可选择的二种通电方式，即整步和半步通电方式，对二相混合式步进电动机来说，通电状态数相应地为m=4或8，通电状态变化一个循环，步进电动机的转子转过一个转子齿距角
(1)
其中：Zr为转子齿数，可见二相混合式步进电动机整步和半步方式运行时，步距角(θb)相应地为，
(2)
以转子齿数Zr=50为例，采用传统驱动器时，它的步距角只能是，
(3)
想获得另外的步距角，不改变相数时，只有改变电动机的转子齿数。
微步驱动器采用电流型驱动技术，让绕组电流为正弦阶梯波，一个电流变化周期内正弦波的阶梯数n1,就是逻辑通电状态数，可以是不同的整数，且通常为偶数，
n1=2k1,(k1=2，3，4，5…) (4)
通电状态变化一个循环，步进电动机的转子转过一个齿距角(θt)。所以采用微步驱动器时，电动机的步距角可以是，
(5)
以转子齿数Zr=50为例，采用微步驱动系统时，它的步距角可以是，
(6)
上式数列以外的步距角，如1.5°，1.25°，1°，0.75°，0.5°，0.375°等，也是常常希望获得的，但是不改变转子齿数，便无法获得。
本文提出一种根据要求的步距角设计通电方式的新思想，在转子齿数不变的情况下，可以获得任意所希望的步距角。提高了一种规格电动机产品的通用性，能适应更多的应用场合；对生产厂家来说可以简化产品的规格品种，相应减少电动机的工装模具，提高同一规格品种的产量，降低生产成本及减少库存量，有明显的效益；对用户来讲，便于从整机系统的角度选择最希望的步距角，使整机的设计更灵活和方便。
2 基本原理
对于转子齿数为Zr的电动机，如果要求的步距角是θb，则它所对应的电角度为
θbe=Zrθb (7)
仍采用类似于微步驱动器电流型驱动技术，让二相绕组的电流为正弦波形的阶梯波，A相和B相电流相对值的波形为：
(8)
k2对应序列控制脉冲数；φ0为电流波形的初相角。
这时定子绕组电流可以用图1的空间相量图来表示，图中i为电流的合成相量。实际上仅仅改变一下尺标，电流合成相量便可以表示合成的转矩相量，当序列脉冲数顺序改变时，合成相量的幅值不变，每次转过θbe，也就是说转子将转过机械角度θb，即要求的步距角，这与通常电流波形控制技术的原理是一样的。
图1 定子电流空间相量图
在步进电动机中实现一定的步距角运行，很重要的一条是实现逻辑通电状态的循环，即经过一个循环，回到原有的通电状态时，要求定转子的相对位置也重复。传统的设计，都是让逻辑通电状态变化一个循环，转子恰好转过一个转子齿距，正是这一限制，使得一种转子齿数的步进电动机，只能实现有限种步距角，如式(5)所示表示那样。
本文提出的新设计的要点在于，当逻辑通电状态变化一个循环，回到原来的通电状态时，要求转子转过整个转子齿距就可以，恰好转过一个转子齿距当然也包括在内，但不要求一定只转过一个转子齿距。如果新设计的逻辑通电状态数为n1′,在整数k3个齿距范围内实现循环重复，则
(9)
(10)
为实现循环重复，要求n1′为整数。即
(11)
由于上式中对k3的值没有严格的限制，所以从理论上讲θbe为任意所希望的合理数值的情况下，只要取适当的k3值，上式就能满足。例如，一台转子齿数Zr=50的步进电动机，要求步距角θb=1.5°，即要求θbe=1.5,Zr=75°电角度，这时可以选k3=5，代入式(11)得
(12)
3 应用实例
将新设计应用于以下实例。针对57BH250C型二相混合式步进电动机(珠江运控电机有限公司制造)，主要技术数据为：相数m=2，定子每相极数2p=4；定子极数2pm=8；转子齿数Zr=50；整步步距角θb=1.8°；静态相电流I=3A；保持转矩Ik≥1.0N.m，为了替代国内某些典型三相磁阻式步进电动机，要求对驱动器的通电方式作特殊的设计，以得到步距角θb=1.5°。
如上一节所述，实例要求的步距角用电角度表示时为θbe=1.5×50=75°。如式(12)所示，让逻辑通电状态数为n1′=24,且k3=5，即一个通电循环转子转过5个齿距角，就可以得到要求的步距角θb=1.5°。如果转过一个齿距角的平均通电状态数用n1表示，则
(13)
可见，转过一个转子齿距角的通电状态数不是整数，所以也可以说这是一种分数通电状态数的方式。
采取电流型驱动器，让绕组电流为正统阶梯波，如式(8)所示，只要将θbe=75°代入就行。作成曲线如图2所示，可以看出，n1表示一个电流基波周期内的电流阶梯数；n1′则表示k3=5个电流基波周期内总的电流阶梯数，也就是总的不同的通电状态数。
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