两相步进电机的驱动技术分解_中职中专_职业教育_教育专区。两相步进电机的驱动技术分解

　　3.5 两相混合式步进电机 及其驱动技术 1. 两相混合式步进电机结构 2. 两相混合式步进电机工作原理 3. 两相混合式步进电机驱动技术 4. 两相混合式步进电机的主要特性和技术指标 1 ? 前面讲述的各种伺服电机必须通过闭环实现位置伺 服。 ? 而步进电机在开环状态就能实现的位置控制。 ? 开环较之闭环有如下好处： ? 结构简单，例如省去位置传感器及其信号处理电路。 ? 没有控制参数设计及其调试的问题。 ? 不存在稳定性问题。 ? 接线 三种类型的步进电机 ? 永磁式步进电机（Permanent magnet motors， PM) ? 变磁阻步进电机(Variable Reluctance，VR)或称 反应式步进电机； ? 混合式步进电动机(Hybrid，HB) ? 定子绕组相数可分为两相、三相、四相、五相等。 ? 两相混合式步进电机在工业上应用为广泛。 3 1. 两相混合式步进电机结构 A ? ? 1 ? ? 5 3 ? ? 7 ? ? A B 2 4 6 8 B ? 电机的定子上有八个绕有线圈的铁心磁极； ? 八个线圈串接成A、B两相绕组； ? 每个定子磁极边缘有多个小齿，一般多为五或六齿。 4 ? 转子由两段有齿环形转子铁心、装在转子铁心内部的环形 磁钢及轴承、轴组成。 ? 将环形磁钢沿轴向充磁，两段转子铁心的一端呈N极性， 另一端呈S极性，分别称之为N段转子和S段转子。 ? 转子铁心的边缘加工有小齿，一般为50个，齿距为7.2°。 ? 两段转子的小齿相互错开1/2齿距。 5 2. 两相混合式步进电机工作原理 每转12步的模型电机 N SS i N 图6-4 ? 定子上有四个绕有线圈的磁极（齿），相对磁极的线圈串联 组成两相绕组。 ? 由于同一相绕组两个线圈绕线的方向相反，通过同一电流时 所 产 生的磁场方向也相反。 ? 电流从相反方向流过同一相绕组产生的磁场方向也相反。 ? 转子由两段永磁体组成，一段呈N极性，一段呈S极性。 ? 每段永磁体有3个齿，齿距为120度，N极齿和S极齿彼此 错 6 开1/2齿距。 1）不通电状态 ? 在绕组不通电时，由于磁通总是沿磁阻小的路径通过， 磁通从N极性转子经定子极回到S极性转子。 ? 由于转子磁场的吸引作用，当外力力图使轴转动时，会有 一个反向力矩阻止这种转动，称为自锁（detent)力矩。 7 2）单四拍工作状态 ia A B A B t ib t 图6-6 A? B? A? B ? ? ? ? ? 图6-5 初始状态，A相通电产生保持力矩； B相通电，定子磁场旋转90度，吸引转子旋转1/4齿距（30度）； /A 相通电、 /B相、 A相通电定子磁场各旋转90度，各吸引转子 旋转1/4齿距（30度）； 4步一个循环后共转过一个齿距120度，12步后转子旋转一周。 8 每一次仅一相绕组通电，四拍一个循环，称之为单四拍工作状态 3）双四拍工作状态 ia AB BA AB BA t ib t AB ? BA ? 图 6-8AB ? BA ? ? 图6-7 初始状态， A相、B相同时通电，由于两个定子齿的吸引，转子 移动1/8齿距15度，停在一个中间的位置； B/A相通电，定子磁场旋转90度吸引转子旋转1/4齿距30度； /A/B、/BA、AB各相通电，定子磁场各旋转90度，各吸引转子 旋转1/4齿距30度； 4步一个循环后共转过一个齿距120度， 12步后转子旋转一周； 每一次两相绕组通电，四拍一个循环，称之为双四拍工作状态9 因为两个线圈同时通电，产生的力矩比单四拍要大。 ? ? ? ? 4）□□ i a A AB B BA A AB B BA t ib t 图 6-10 A ? AB ? B ? BA ? A ? AB ? B ? BA 图6-9 ? ? ? 在单四拍工作方式基础上，在每两个单拍之间插入一个 双拍工作状态，就成为单、双八拍工作方式。 交替使一个线圈和两个线圈通电，每一步转子旋转1/8齿 距即15度，经过这8拍以后，转子转过一个齿距120度。 旋转一周需24步。 10 ia A AB B BA A AB B BA ia A AB B BA A AB B BA t t ib ib t 图6-10 t 图6-11 ? 单、双八拍工作方式的缺点是产生“强、弱步”的现象， 可利用的力矩被弱步力矩所限制，力矩的波动较大。 ? 为了消除“强、弱步”现象，并使电机按强步力矩输出， 可以在弱步时绕组通以两倍的电流，对弱步力矩进行补偿。 ? 优点是步距角小，电机运行将更平稳。 11 5）微步距工作方式 ia t ia t ? 在双四拍工作方式中，当两相绕组通以相等的电流时，电机 转子停在一个中间的位置。如果两相绕组电流不等，转子位 置将朝电流大的定子极方向偏移。 ? 利用这个现象我们可使电机工作在微步距方式：将两相绕组 中的电流分别按正弦和余弦的轮廓呈阶梯式变化。则每个整 步距就分成了若干微步距。 12 ? 微步距方式的步距角更小，将使电机运行更加平稳。 ? 一般称单四拍和双四拍工作方式为整步距方式； 单、双八拍工作方式为半步距方式。 ? 步进电机中定子磁场和转子磁场的相互作用产生 转矩： ? 定子磁势IW（安匝），I为相电流，W为绕组匝 数。 ? 转子磁势是由转子磁钢产生的，它是一个常数。 ? 所以当定子线圈匝数、转子磁钢磁性能及定、 转子铁心材料、尺寸已确定的情况下，电机产生 的力矩由定子绕组电流决定。 13 5）实际电机的工作原理 A ? ? 1 ? ? 5 3 ? ? 7 ? ? A B 2 4 6 8 B N SS i N 1 7 3 5 定子 转子 图6-4 ? 线串联组成A相绕组；线串联组成B相绕组。 ? 每一相四个绕组的绕线方向不同，通电 后每个绕组所在定子磁极的极性不同。 ? 假定线所在的磁极为N极，则线个）齿，齿距为7.2° ? 两段转子铁心上各有50小齿，齿距为7.2°，但两 段转子的小齿相互错开1/2齿距 ? 定子齿和转子齿齿距相等。。 15 模型电机和实际电机的比较 1 7 3 5 定子 转子 模型电机 转子齿数 3 转子齿距 120度 整步 距 1/4齿距30度 半步距 1/8齿距15度 整步一周节拍数 12 半步一周节拍数 24 实际电机 50 7.2度 1/4齿距1.8度 1/8齿距0.9度 200 图6-1 16 3. 步进电机驱动技术 驱动器 运 动 控 制 器 脉冲 方向 接 口 电 路 脉冲 方向 环 型 分 配 器 uA uA uB uB 功 率 放 大 器 A A B B ? 接口电路用光电隔离方式将运动控制器和驱动器连接起来，避 免驱动器中的大电流干扰信号经地线窜入运动控制器电路。 ? 环形分配器将脉冲及方向信号按设定的节拍方式，转换为功放 管的导通和截止信号，从而控制各相绕组的通电和断电。 17 ? 功率放大器将电源功率转换为电机输出功率驱动负载运动。 驱动器的接线V R 脉冲 R 方向 R 报警 运动控制器 驱动器 ? 接口电路用光电隔离方式 将运动控制器和驱动器连 接起来。 ? 这种隔离方式可避免驱动 器中的大电流干扰信号经 地线窜入运动控制器。 ? 运动控制器采用开集电极 方式向驱动器发送脉冲及 方向信号。这是一典型的 “共阳极”接法 ? 报警信号是由驱动器经开 集电极方式连接到运动控 制器中。 19 2）环形分配器 驱动器 运 动 控 制 器 脉冲 脉冲 方向 接 口 电 路 方向 环 型 分 配 器 uA uA uB uB 功 率 放 大 器 A A B B ? 环形分配器将脉冲及方向信号按设定的节拍方式，转换为功 放管的导通和截止信号，从而控制各相绕组的通电和断电。 ? 环形分配器可由多种方式实现： ? 专用集成电路； ? 用计数器及EPROM存储器构成； ? 用可编程逻辑器件写入逻辑关系实现； 20 ? 由单片机或DSP—类器件通过软件实现。 例 一种环形分配器实现方案 74LS191 脉冲 CP 方向 A/D QA QB QC QD A0 A1 A2 A3 D2 D3 D0 D1 EPROM2716 uB uA uB uA ? ? ? 74LS191是一种十六进制可逆计数器。其输出的数值由输入的 脉冲个数及方向信号电平高低决定。 当方向信号为低电平时，计数器做加计数。当方向信号为高 电平时，计数器做减计数。 EPROM2716是数据存储器，其地址由计数器输出决定，其输出 21 由存储器内容决定。 单、双八拍运动方式的数据表 74LS191 脉冲 CP 方向 A/D QA QB QC QD 5V EPROM2716 A0 A1 A2 A3 D2 D3 A4 D0 D1 uB uA uB uA ? ? 当方向信号为低电平时，计数 器做加法计数，EPROM按正 向循环方式输出数据表，电机 正向旋转； 当方向信号为高电平时， EPROM按反向循环方式输出 数据表，电机反向旋转。 22 双四拍运行方式的数据表 74LS191 脉冲 CP 方向 A/D QA QB QC QD 5V EPROM2716 A0 A1 A2 A3 D2 D3 A4 D0 D1 uB uA uB uA ?A4接地时，可选通00H~0FH之 间的十六个地址。该 地址空间存 储了循环的单、双八拍运动方式 的数据表 ? A4接5V时，可选通10H~1FH 之间的十六个地址。该地址空间 存储了循环的双四拍运行方式的 23 数据表。 3）功率放大—单电压驱动方式 ? 由于时间常数Te=L/R的作用，相应的平均电流减少而导 致输出转矩下降。 ? 稳态时电流由电源电压和绕组电阻R决定，由于R比较小， 电源电压不能太高，这也限制了电流上升速度。 ? 一般加电阻Rs解决上面两个问题，但本身消耗功率太大。 ? 这种驱动线路虽然简单、成本低，但效率太低，现已很少 24 采用。 4）功率放大—恒流斩波驱动方式 T1 D1 Us D2 A T2 ia A B A B 电流放大 t uA T3 A T4 uA ib D3 Vi Vg a b c D4 t － ＋ 单稳 ?a:T1,T4导通; 图6-6 ?b:T4关断，T1,D2导通 ?c:T1,T2,T3,T4关断 D3,D2导通 i t ?d:T2,T3导通 ?f: f d e ?e:T3关断，T2,D1导通 T1,T2,T3,T4关断 D1,D4导通 ?电流值由Vg 大小决定 25 ?斩波频率由单稳时间决定,一般20KHZ ? 四只功率MOSFEF和四只续流二极管构成 H桥开关电路； ? 每相定子绕组的两个引出线分别与桥臂的 两个中点连接。显然，需要两个这样的电 路才能驱动一台两相混合式步进电机； ? T1和T2是有电流测量极的MOSFET功率管， 其电流经放大后与一给定电压Vg比较，比 较的结果经单稳电路延迟后控制T3和T4的 导通与截止。 26 27 特点 ? ? ? ? ? 电源电压可以较高，使电流上升更快； 输出电流不受电源电压波动影响， 高效率； 存在谐波，使电机、开关器件发热； 高频噪声对周边设备产生干扰； 28 位置、速度和力矩控制 ? 无论电机工作在整步距、半步距还是微步距，驱 动器每输入一个脉冲，电机运行一个步距角。实 现位置控制。 ? 当驱动器输入脉冲频率改变时，换相节拍的速度 改变， 定子磁场旋转速度改变，实现速度控制。 ? 步进电机的输出力矩取决于相电流，而相电流仅 由驱动器内部的Vg控制，一般驱动器中这个值都 是固定的，因此步进电机一般不能实现力矩控制。 29 5）微步距（细分）技术 步进电机整、半步运行存在的问题： ? ? ? ? 分辨率低 低速运动不平滑 噪声大 谐振现象 微步距技术可以改善上述现象 30 如何产生阶梯波微步距？ ia AB BA AB BA t ib t 图6-8 ? 整步运行时，绕组电流每90°电角度转过一个整步距。 ? 四细分时电流电角度为 90/4=22.5 °。 以22.5°的角 度递增从0°到360°共有16个电角度；所对应的cos和 31 sin值求出并整量化后作成数据表放在存储器中。 32 T1 D1 D2 A T2 电流放大 D/A转换器 uA T3 A T4 D3 Vi Vg D4 － ＋ 单稳 ? 电机运行时顺次取出表中数据并送到D/A转换器的输入端， 则D/A转换器的输出即是阶梯正弦波和余弦波。 ? 在恒流斩波电路中，绕组电流由电压Vg控制，因此将D/A 转换器的输出加在Vg控制端就能在绕组中产生阶梯波。 33 6 ) 步进电机驱动集成电路A3977 ? 在一片IC上集成环形分配、微步距、恒流斩波、栅极驱动、 H桥功率放大、保护及诊断等功能。 ? 简化了设计、制作、调试等工作。提高了可靠性。降低了制 作成本。 ? 以美国Allegro A3977芯片为例： ? 整步、半步、4细分、8细分工作方式； ? 内置高端栅极驱动； ? 内置环形分配器； ? MOSFET 双H桥恒流斩波驱动； ? ±2.5 A额定电流输出，母线 V； ? 欠电压、输出短路、过热保护。 34 35 ? 两个H桥电路直接驱动A、B两相绕组； ? TRANSLATOR结合MS1、MS2将STEP、DIR转换成各工 作模式要求的4位阶梯电流数值（见表）； ? D/A转换器将其转换成阶梯电压，并将电压与电流测量电 阻上的电压比较，输出的信号经延时与CONTROL LOGIC 一起控制各开关管的导通顺序，实现恒流斩波驱 动； ? 电流值由电阻R和D/A转换器的参考电压共同决定； ? 斩波频率由外结电阻和电容RC1决定。 36 37 38 39 整步距方式 AB ? BA ? AB ? BA 40 半步距方式 A ? AB ? B ? BA ? A ? AB ? B ? BA 41 4细分方式 42 8细分方式 43 4. 步进电机的主要技术指标和特性 ? 分辨率 ：每个工作节拍所对应的电机角位移。 以二相混合式步进电机为例， 在整步方式分辨率为1.8°； 在半步矩时分辨率为0.9°； 在4细分时分辨率为0.45°； ? 精度： 理论上的步距角和实际测量到的步距角之差。精度主 要取决于制造和装配的度： ? 齿距加工误差和轴承安装偏心是影响精度的主要因素。 ? 这个误差是非积累的。 ? 步进电机的精度指标是在电机空载情况下定义的。 ? 在有载情况下其精度主要由电机的矩角特性决定。 44 矩角特性 定子 N N N T TH Te 转子 S S S Θ=0 ° T0 N N N ?e 1.8? 3.6? 5.4? 7.2? ? Tf S S S Θ=1.8° T=0 N N N Tf S S Θ= 3.6° ?电机工作在单四拍工作方式 ?转子在外力矩作用下产生一个 偏移角值TH即保持力矩。 ?当偏移角达到3.6°电磁转矩重 又为零，这不是一个稳定的工 作状态。 ?反向力矩作用下转子将滑向下 一个齿对齿状态这种现象称为 45 “失步” ? 假定电机工作在单四拍工作方式（分析结论对其它工作方式 同样适用），一相绕组通电后如果电机轴上不施加负载，则 N极定子齿与S段转子齿（或S极定子齿与N段转子齿）成齿 对齿状态，如图a）所示。 ? 如这时在电机轴上施加一负载力矩Tf，则转子在外力矩作用 下将产生一个偏移角即定子齿和转子齿错开一个角度，如图 b）所示。定子磁极的吸引作用产生电磁力矩Te，且随偏移 角的增大而增大，当 ?e ? 1.8?即定子和转子错开1/4齿距时达 到值TH（即保持力矩）。 ?e 再增大时，邻近定子齿的 吸引力将产生反向力矩使总的电磁力矩减小。 ? 此时若继续增大负载力矩，转子偏移角继续增大，电磁力矩 随着反向力矩的增大而逐渐减小。当偏移角达到3.6°即转 子转过1/2齿距时，两个邻近定子齿对转子齿产生的吸力作 用大小相等方向相反，电磁转矩重又为零。 ? 但这不是一个稳定的工作状态，因为此时若撤除负载力矩， 转子将回复到 ?e ? 0 的状态；若负载力矩再增大一点儿，在 反向力矩作用下转子将滑向下一个齿对齿状态——与初始状 态偏离了一个齿距即7.2°的状态，这种现象称为“失步”。 在失步状态下若负载转矩仍保持不变则转子将连续旋转完全 失去控制。 46 关于步进电机位置误差的结论 T Tf ?e1 ?e2 ? ? 在静态情况即电机运动终止时，若电机轴上存在着摩擦转 矩或非平衡转矩，为了产生电磁力矩以平衡这些外力矩， 系统必然存在着静态位置误差。 ? 误差的大小取决于负载力矩和电机本身的静态刚度。同一 台电机负载转矩越大则误差越大。在相同负载的情况下， 电机的静态刚度越大误差越小。 ? 的位置误差为一整步矩角（对两相混合式步进电来说 为1.8°）。如果负载转矩过大使误差超过一个整步距角， 则电机将产生“失步”——这是非正常的运行状态。 ? 误差是由步进电机系统的开环结构所决定的 47 矩频特性 T ( Nm) T TH U s1 ? U s2 ? U s3 U S1 U S2 U S3 Tp 短时工作区 Tr 起停区 运行区 连续工作区 f (n) n(rpm) ?矩频特性重要的特点是电机产生的力矩 随电机速度的升高而逐渐下降 ?速度升高时力矩下降是由于定子绕组时间 常数的影响。 ?高电源电压 能降低这些影响。 ?步进电机不适宜应用在高速运动的场合。 48 ? 矩频特性重要的特点是电机产生的力矩随电机速度的升 高而逐渐下降，这样的特点决定了步进电机不适宜应用在 高速运动的场合。 ? 造成这种特点的原因是： ? 由于存在电气时间常数，电流必须经过一定的时间才能达 到稳态值。 ? 在低速时，脉冲的频率较低，即脉冲宽度较宽，电流有足 够的时间达到要求的电流值。 ? 随着电机转速的升高，脉冲电压的频率升高而宽度变窄， 电流上升的时间成为脉冲宽度的主要部分，这意味着平均 电流的减少，电机的力矩开始下降。 ? 此时，斩波器已停止工作，电流的值完全由电源电压Vcc 决定，Vcc越高，电流上升的得越快，也即在一个窄脉冲 内能达到较高的值，电机的输出力矩越大。 ? 综合以上的分析我们可以断定：低速时电机的力矩取决于 驱动器内电流建立值Vg；而在高速时电机的力矩由电源电 压决定而与电流建立值无关 49 依据矩频特性选择步进电机 T ( Nm) T TH U s1 ? U s2 ? U s3 U S1 U S2 U S3 Tp 短时工作区 起停区 运行区 Tr f (n) 连续工作区 n(rpm) 步进电机没有过载能力。无论工作在加、减速还是匀速状 态都必须在由矩角特性围成的可利用的区域之内，否则将 引起“失步”现象。 ? 首先计算出要求电机输出的力矩及转速。 ? 外部因素可能使摩擦增大，电机的谐振也可能会消耗掉部 50 分转矩，应提供50%左右的力矩储备。 ? ? 例 一个应用系统已计算出它对电机的力矩和速度要求 负载摩擦转矩 Tf=1.47Nm； 加速度转矩 Ta=1.23Nm； 工作转速 n=900rpm。 解：系统对电机力矩要求是 Tf+Ta=2.7Nm, 2.7×1.5=4.05Nm。 选择曲线对应的电机可满足要求。 T ( N ? m) 12 9 6 ① 3 ② 0 600 1200 1800 2 3000 51 n(rpm) 起动频率与起停区、运行区 V V T TH U s1 ? U s2 ? U s3 U S1 U S2 U S3 起停区 t t 运行区 f (n) ? 在空载情况下，不经加速就能够使转子从静止状态不失步 地起动的控制频率称为“空载起动频率”。电机只能 从起动频率对应的转速逐渐加速到其工作转速。 ? 基于同样的道理，电机在高速运行时突然停止，也即运行 频率突然降到零，电机也会产生失步现象。 ? 因此电机起动时总是从起停区加速到运行区，电机停止时 应从运行区区减速到到起停区，步进电机的起动频率与停 止频率一般是相等的。 52 谐振特性 ? 当我们给步进电机一相定子绕组通电使其单步运行时其转 子的角位移响应呈如图所示的特性。 ? 当外部激励信号的频率与电机固有频率一致时，电机将产 生谐振现象。谐振可能引起失步。 ? 在步进电机中谐振现象大都发生在较低的速度上，典型的 速度是30~90rpm。 53 ? 微步距可改善谐振现象。 步进电机特点 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 低成本； 坚固，高可靠； 无刷，免维护； 控制简单，开环，无须参数设计及调整，不存在稳定性问题。 速度取决于脉冲信号的频率，位移量取决于脉冲数； 固有的刚性，已知的静态位置误差； 固有的失效安全性（无反馈，脉冲方式）； 接线少； 高速工作时，电机的输出转矩明显下降，不适于高速运行； 低速运动不平滑，不适于低速平滑运行； 存在谐振现象； 效率低，电机表面温度较高。 噪声较大。 54 思考题 1. 步进电机采用恒流斩波驱动时，斩波器电源电压 的高低对相电流有什么样的影响？ 2. 步进电机系统一般采用开环控制，带载时它的定 位精度主要由什么因素决定？ 3. 为什么步进电机在高速运行时输出力矩会下降？ 4. 如何根据电机轴上力矩和转速的要求选用步进电 机？ 5. 如何实现微步距控制？ 6. 步进电机通电后，在停止和高速运行两种状态下， 哪一种更容易发热？ 7. 步进电机空载时发热大还是带载时发热大? 55
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