兩相混合式步進電機及其驅動技術綜述

1、13.5 兩相混合式步進電機兩相混合式步進電機及其驅動技術及其驅動技術1. 兩相混合式步進電機結構2. 兩相混合式步進電機工作原理3. 兩相混合式步進電機驅動技術4. 兩相混合式步進電機的主要特性和技術指標2 前面講述的各種伺服電機必須通過閉環(huán)實現(xiàn)位置伺服。 而步進電機在開環(huán)狀態(tài)就能實現(xiàn)精確的位置控制。 開環(huán)較之閉環(huán)有如下好處：結構簡單，例如省去位置傳感器及其信號處理電路。沒有控制參數(shù)設計及其調(diào)試的問題。不存在穩(wěn)定性問題。接線簡單。3三種類型的步進電機三種類型的步進電機 永磁式步進電機（Permanent magnet motors，PM) 變磁阻步進電機(Variable Reluctanc

2、e，VR)或稱反應式步進電機； 混合式步進電動機(Hybrid，HB) 定子繞組相數(shù)可分為兩相、三相、四相、五相等。 兩相混合式步進電機在工業(yè)上應用最為廣泛。41. 兩相混合式步進電機結構兩相混合式步進電機結構 電機的定子定子上有八個繞有線圈的鐵心磁極； 八個線圈串接成A、B兩相繞組； 每個定子磁極邊緣有多個小齒，一般多為五或六齒。5 轉子由兩段有齒環(huán)形轉子鐵心、裝在轉子鐵心內(nèi)部的環(huán)形磁鋼及軸承、軸組成。 將環(huán)形磁鋼沿軸向充磁，兩段轉子鐵心的一端呈N極性，另一端呈S極性，分別稱之為N段轉子段轉子和S段轉子段轉子。 轉子鐵心的邊緣加工有小齒，一般為50個，齒距為7.2。 兩段轉子的小齒相互錯開1

3、/2齒距。62. 兩相混合式步進電機工作原理兩相混合式步進電機工作原理 定子上有四個繞有線圈的磁極（齒），相對磁極的線圈串聯(lián) 組成兩相繞組。 由于同一相繞組兩個線圈繞線的方向相反，通過同一電流時所 產(chǎn) 生的磁場方向也相反。 電流從相反方向流過同一相繞組產(chǎn)生的磁場方向也相反。 轉子由兩段永磁體組成，一段呈N極性，一段呈S極性。 每段永磁體有3個齒，齒距為120度，N極齒和S極齒彼此 錯開1/2齒距。每轉每轉12步的模型電機步的模型電機71）不通電狀態(tài)）不通電狀態(tài) 在繞組不通電時，由于磁通總是沿磁阻最小的路徑通過， 磁通從N極性轉子經(jīng)定子極回到S極性轉子。 由于轉子磁場的吸引作用，當外力力圖使軸轉

4、動時，會有一個反向力矩阻止這種轉動，稱為自鎖（自鎖（detent)力矩力矩。82）單四拍工作狀態(tài)）單四拍工作狀態(tài)n初始狀態(tài)，A相通電產(chǎn)生保持力矩保持力矩；nB相通電，定子磁場旋轉90度，吸引轉子旋轉1/4齒距（30度）；n/A 相通電、 /B相、 A相通電定子磁場各旋轉90度，各吸引轉子旋轉1/4齒距（30度）；n4步一個循環(huán)后共轉過一個齒距120度，12步后轉子旋轉一周。n每一次僅一相繞組通電，四拍一個循環(huán)，稱之為單四拍工作狀態(tài)單四拍工作狀態(tài)93）雙四拍工作狀態(tài)）雙四拍工作狀態(tài)n初始狀態(tài)， A相、B相同時通電，由于兩個定子齒的吸引，轉子移動1/8齒距15度，停在一個中間的位置；nB/A相通電

5、，定子磁場旋轉90度吸引轉子旋轉1/4齒距30度； n/A/B、/BA、AB各相通電，定子磁場各旋轉90度，各吸引轉子旋轉1/4齒距30度；n4步一個循環(huán)后共轉過一個齒距120度， 12步后轉子旋轉一周；n每一次兩相繞組通電，四拍一個循環(huán)，稱之為雙四拍工作狀態(tài)雙四拍工作狀態(tài)n因為兩個線圈同時通電，產(chǎn)生的力矩比單四拍要大。 10 4）n在單四拍工作方式基礎上，在每兩個單拍之間插入一個雙拍工作狀態(tài)，就成為單、雙八拍工作方式。 n交替使一個線圈和兩個線圈通電，每一步轉子旋轉1/8齒距即15度，經(jīng)過這8拍以后，轉子轉過一個齒距120度。n旋轉一周需24步。11 單、雙八拍工作方式的缺點是產(chǎn)生“強、弱步

6、”的現(xiàn)象，可利用的力矩被弱步力矩所限制，力矩的波動較大。 為了消除“強、弱步”現(xiàn)象，并使電機按強步力矩輸出，可以在弱步時繞組通以兩倍的電流，對弱步力矩進行補償。 優(yōu)點是步距角小，電機運行將更平穩(wěn)。125）微步距工作方式）微步距工作方式 在雙四拍工作方式中，當兩相繞組通以相等的電流時，電機轉子停在一個中間的位置。如果兩相繞組電流不等，轉子位置將朝電流大的定子極方向偏移。 利用這個現(xiàn)象我們可使電機工作在微步距方式：將兩相繞組中的電流分別按正弦和余弦的輪廓呈階梯式變化。則每個整步距就分成了若干微步距。 微步距方式的步距角更小，將使電機運行更加平穩(wěn)。13 一般稱單四拍和雙四拍工作方式為整步距方式；單、

7、雙八拍工作方式為半步距方式半步距方式。 步進電機中定子磁場和轉子磁場的相互作用產(chǎn)生轉矩： 定子磁勢IW（安匝），I為相電流，W為繞組匝數(shù)。 轉子磁勢是由轉子磁鋼產(chǎn)生的，它是一個常數(shù)。 所以當定子線圈匝數(shù)、轉子磁鋼磁性能及定、轉子鐵心材料、尺寸已確定的情況下，電機產(chǎn)生的力矩由定子繞組電流決定。145）實際電機的工作原理）實際電機的工作原理n 線圈1、5、3、7串聯(lián)組成A相繞組；線 圈2、6、4、8串聯(lián)組成B相繞組。n 每一相四個繞組的繞線方向不同，通電 后每個繞組所在定子磁極的極性不同。n 假定線圈1、5所在的磁極為N極，則線 圈3、7所在的磁極為S極。15 定子磁極上有40個（或48個）齒，齒

8、距為7.2 兩段轉子鐵心上各有50小齒，齒距為7.2，但兩段轉子的小齒相互錯開1/2齒距 定子齒和轉子齒齒距相等。16模型電機和實際電機的比較模型電機和實際電機的比較 模型電機 實際電機 轉子齒數(shù) 3 50轉子齒距 120度 7.2度整步 距 1/4齒距30度 1/4齒距1.8度半步距 1/8齒距15度 1/8齒距0.9度整步一周節(jié)拍數(shù) 12 200 半步一周節(jié)拍數(shù) 24 400 173. 步進電機驅動技術步進電機驅動技術 接口電路接口電路用光電隔離方式將運動控制器和驅動器連接起來，避免驅動器中的大電流干擾信號經(jīng)地線竄入運動控制器電路。 環(huán)形分配器環(huán)形分配器將脈沖及方向信號按設定的節(jié)拍方式，轉

9、換為功放管的導通和截止信號，從而控制各相繞組的通電和斷電。 功率放大器功率放大器將電源功率轉換為電機輸出功率驅動負載運動。18驅動器的接線圖驅動器的接線圖191）接口電路）接口電路 接口電路用光電隔離方式將運動控制器和驅動器連接起來。 這種隔離方式可避免驅動器中的大電流干擾信號經(jīng)地線竄入運動控制器。 運動控制器采用開集電極方式向驅動器發(fā)送脈沖及方向信號。這是一典型的“共陽極”接法 報警信號是由驅動器經(jīng)開集電極方式連接到運動控制器中。202）環(huán)形分配器）環(huán)形分配器 環(huán)形分配器環(huán)形分配器將脈沖及方向信號按設定的節(jié)拍方式，轉換為功放管的導通和截止信號，從而控制各相繞組的通電和斷電。 環(huán)形分配器可由多

10、種方式實現(xiàn)：l 專用集成電路；l 用計數(shù)器及EPROM存儲器構成；l 用可編程邏輯器件寫入邏輯關系實現(xiàn)；l 由單片機或DSP類器件通過軟件實現(xiàn)。21例例 一種環(huán)形分配器實現(xiàn)方案一種環(huán)形分配器實現(xiàn)方案n 74LS191是一種十六進制可逆可逆計數(shù)器。其輸出的數(shù)值由輸入的 脈沖個數(shù)及方向信號電平高低決定。n n 22單、雙八拍運動方式的數(shù)據(jù)表單、雙八拍運動方式的數(shù)據(jù)表23雙四拍運行方式的數(shù)據(jù)表雙四拍運行方式的數(shù)據(jù)表nA4接地時，可選通00H0FH之間的十六個地址。該 地址空間存儲了循環(huán)的單、雙八拍運動方式的數(shù)據(jù)表n A4接5V時，可選通10H1FH之間的十六個地址。該地址空間存儲了循環(huán)的雙四拍運行方

11、式的數(shù)據(jù)表。243）功率放大單電壓驅動方式 由于時間常數(shù)Te=L/R的作用，相應的平均電流減少而導致輸出轉矩下降。 穩(wěn)態(tài)時電流由電源電壓和繞組電阻R決定，由于R比較小，電源電壓不能太高，這也限制了電流上升速度。 一般加電阻Rs解決上面兩個問題，但本身消耗功率太大。 這種驅動線路雖然簡單、成本低，但效率太低，現(xiàn)已很少采用。254）功率放大恒流斬波驅動方式Usna:T1,T4導通;nb:T4關斷，T1,D2導通nc:T1,T2,T3,T4關斷 D3,D2導通nd:T2,T3導通ne:T3關斷，T2,D1導通nf: T1,T2,T3,T4關斷 D1,D4導通n電流值由Vgn斬波頻率由單穩(wěn)時間決定,一

12、般20KHZ26 四只功率MOSFEF和四只續(xù)流二極管構成H橋開關電路； 每相定子繞組的兩個引出線分別與橋臂的兩個中點連接。顯然，需要兩個這樣的電路才能驅動一臺兩相混合式步進電機； T1和T2是有電流測量極的MOSFET功率管， 其電流經(jīng)放大后與一給定電壓Vg比較，比較的結果經(jīng)單穩(wěn)電路延遲后控制T3和T4的導通與截止。2728 特點特點n電源電壓可以較高，使電流上升更快；n輸出電流不受電源電壓波動影響，n高效率；n存在諧波，使電機、開關器件發(fā)熱；n高頻噪聲對周邊設備產(chǎn)生干擾；29位置、速度和力矩控制位置、速度和力矩控制 無論電機工作在整步距、半步距還是微步距，驅動器每輸入一個脈沖，電機運行一個

13、步距角。實現(xiàn)位置控制。 當驅動器輸入脈沖頻率改變時，換相節(jié)拍的速度改變， 定子磁場旋轉速度改變，實現(xiàn)速度控制。 步進電機的輸出力矩取決于相電流，而相電流僅由驅動器內(nèi)部的Vg控制，一般驅動器中這個值都是固定的，因此步進電機一般不能實現(xiàn)力矩控制。305）微步距（細分）技術）微步距（細分）技術步進電機整、半步運行存在的問題： 分辨率低 低速運動不平滑 噪聲大 諧振現(xiàn)象 微步距技術可以改善上述現(xiàn)象31如何產(chǎn)生階梯波微步距？如何產(chǎn)生階梯波微步距？ 整步運行時，繞組電流每90電角度轉過一個整步距。 四細分時電流電角度為 90/4=22.5 。 以22.5的角度遞增從0到360共有16個電角度；所對應的co

14、s和sin值求出并整量化后作成數(shù)據(jù)表放在存儲器中。3233 電機運行時順次取出表中數(shù)據(jù)并送到D/A轉換器的輸入端，則D/A轉換器的輸出即是階梯正弦波和余弦波。 在恒流斬波電路中，繞組電流由電壓Vg控制，因此將D/A轉換器的輸出加在Vg控制端就能在繞組中產(chǎn)生階梯波。D/A轉換器346 ) 步進電機驅動集成電路步進電機驅動集成電路A3977 在一片IC上集成環(huán)形分配、微步距、恒流斬波、柵極驅動、H橋功率放大、保護及診斷等功能。 簡化了設計、制作、調(diào)試等工作。提高了可靠性。降低了制作成本。 以美國Allegro A3977芯片為例： 整步、半步、4細分、8細分工作方式； 內(nèi)置高端柵極驅動； 內(nèi)置環(huán)形

15、分配器； MOSFET 雙H橋恒流斬波驅動； 2.5 A額定電流輸出，母線電壓最高35 V； 欠電壓、輸出短路、過熱保護。3536 兩個H橋電路直接驅動A、B兩相繞組； TRANSLATOR結合MS1、MS2將STEP、DIR轉換成各工作模式要求的4位階梯電流數(shù)值（見表）； D/A轉換器將其轉換成階梯電壓，并將電壓與電流測量電阻上的電壓比較，輸出的信號經(jīng)延時與CONTROL LOGIC 一起控制各開關管的導通順序，實現(xiàn)恒流斬波驅動； 電流值由電阻R和D/A轉換器的參考電壓共同決定； 斬波頻率由外結電阻和電容RC1決定。37383940整步距方式41半步距方式424細分方式438細分方式444.

16、 步進電機的主要技術指標和特性步進電機的主要技術指標和特性 分辨率分辨率 ：每個工作節(jié)拍所對應的電機角位移。 以二相混合式步進電機為例， 在整步方式分辨率為1.8； 在半步矩時分辨率為0.9； 在4細分時分辨率為0.45； 精度：精度： 理論上的步距角和實際測量到的步距角之差。精度主要取決于制造和裝配的精確度： 齒距加工誤差和軸承安裝偏心是影響精度的主要因素。 這個誤差是非積累的。 步進電機的精度指標是在電機空載情況下定義的。 在有載情況下其精度主要由電機的矩角特性決定。45 矩角特性矩角特性 電機工作在單四拍工作方式轉子在外力矩作用下產(chǎn)生一個偏移角最大值TH即保持力矩。當偏移角達到3.6電磁

17、轉矩重又為零，這不是一個穩(wěn)定的工作狀態(tài)。反向力矩作用下轉子將滑向下一個齒對齒狀態(tài)這種現(xiàn)象稱為“失步失步”=0 =1.8= 3.646 假定電機工作在單四拍工作方式（分析結論對其它工作方式同樣適用），一相繞組通電后如果電機軸上不施加負載，則N極定子齒與S段轉子齒（或S極定子齒與N段轉子齒）成齒對齒狀態(tài)，如圖a）所示。 如這時在電機軸上施加一負載力矩Tf，則轉子在外力矩作用下將產(chǎn)生一個偏移角即定子齒和轉子齒錯開一個角度，如圖b）所示。定子磁極的吸引作用產(chǎn)生電磁力矩Te，且隨偏移角的增大而增大，當 即定子和轉子錯開1/4齒距時達到最大值TH（即保持力矩）。 再增大時，鄰近定子齒的吸引力將產(chǎn)生反向力矩

18、使總的電磁力矩減小。 此時若繼續(xù)增大負載力矩，轉子偏移角繼續(xù)增大，電磁力矩隨著反向力矩的增大而逐漸減小。當偏移角達到3.6即轉子轉過1/2齒距時，兩個鄰近定子齒對轉子齒產(chǎn)生的吸力作用大小相等方向相反，電磁轉矩重又為零。 但這不是一個穩(wěn)定的工作狀態(tài)，因為此時若撤除負載力矩，轉子將回復到 的狀態(tài)；若負載力矩再增大一點兒，在反向力矩作用下轉子將滑向下一個齒對齒狀態(tài)與初始狀態(tài)偏離了一個齒距即7.2的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“失步失步”。在失步狀態(tài)下若負載轉矩仍保持不變則轉子將連續(xù)旋轉完全失去控制。1.8ee0e47關于步進電機位置誤差的結論關于步進電機位置誤差的結論 在靜態(tài)情況即電機運動終止時，若電機軸上存

19、在著摩擦轉矩或非平衡轉矩，為了產(chǎn)生電磁力矩以平衡這些外力矩，系統(tǒng)必然存在著靜態(tài)位置誤差。 誤差的大小取決于負載力矩和電機本身的靜態(tài)剛度。同一臺電機負載轉矩越大則誤差越大。在相同負載的情況下，電機的靜態(tài)剛度越大誤差越小。 最大的位置誤差為一整步矩角（對兩相混合式步進電來說為1.8）。如果負載轉矩過大使誤差超過一個整步距角，則電機將產(chǎn)生“失步”這是非正常的運行狀態(tài)。 誤差是由步進電機系統(tǒng)的開環(huán)結構開環(huán)結構所決定的48矩頻特性矩頻特性 n矩頻特性最重要的特點是電機產(chǎn)生的力矩 隨電機速度的升高而逐漸下降n速度升高時力矩下降是由于定子繞組時間 常數(shù)的影響。n高電源電壓 能降低這些影響。 n步進電機不適宜

20、應用在高速運動的場合。步進電機不適宜應用在高速運動的場合。49 矩頻特性最重要的特點是電機產(chǎn)生的力矩隨電機速度的升高而逐漸下降，這樣的特點決定了步進電機不適宜應用在高速運動的場合。 造成這種特點的原因是： 由于存在電氣時間常數(shù)，電流必須經(jīng)過一定的時間才能達到穩(wěn)態(tài)值。 在低速時，脈沖的頻率較低，即脈沖寬度較寬，電流有足夠的時間達到要求的電流值。 隨著電機轉速的升高，脈沖電壓的頻率升高而寬度變窄，電流上升的時間成為脈沖寬度的主要部分，這意味著平均電流的減少，電機的力矩開始下降。 此時，斬波器已停止工作，電流的值完全由電源電壓Vcc決定，Vcc越高，電流上升的得越快，也即在一個窄脈沖內(nèi)能達到較高的值

21、，電機的輸出力矩越大。 綜合以上的分析我們可以斷定：低速時電機的力矩取決于驅動器內(nèi)電流建立值Vg；而在高速時電機的力矩由電源電壓決定而與電流建立值無關 50 依據(jù)矩頻特性選擇步進電機依據(jù)矩頻特性選擇步進電機 n步進電機沒有過載能力。步進電機沒有過載能力。無論工作在加、減速還是勻速狀態(tài)都必須在由矩角特性圍成的可利用的區(qū)域之內(nèi)，否則將引起“失步”現(xiàn)象。 首先計算出要求電機輸出的最大力矩及最高轉速。 外部因素可能使摩擦增大，電機的諧振也可能會消耗掉部分轉矩，應提供50%左右的力矩儲備。51 例例 一個應用系統(tǒng)已計算出它對電機的力矩和速度要求 負載摩擦轉矩 Tf=1.47Nm； 加速度轉矩 Ta=1.23Nm； 最高工作轉速 n=900rpm。 解：解：系統(tǒng)對電機最大力矩要求是 Tf+Ta=2.7Nm, 2.71.5=4.05Nm。 選擇曲線2對應的電機可滿足要求。52起動頻率與起停區(qū)、運行區(qū)起動頻率與起停區(qū)、運行