兩相混合式步進電機及其驅(qū)動技術(shù)2012

1、13.5 兩相混合式步進電機兩相混合式步進電機及其驅(qū)動技術(shù)及其驅(qū)動技術(shù)1. 兩相混合式步進電機結(jié)構(gòu)兩相混合式步進電機結(jié)構(gòu)2. 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3. 兩相混合式步進電機驅(qū)動技術(shù)兩相混合式步進電機驅(qū)動技術(shù)4. 兩相混合式步進電機的主要特性和技術(shù)指標(biāo)兩相混合式步進電機的主要特性和技術(shù)指標(biāo)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(jié)構(gòu)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(shè)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

2、機（Permanent magnet motors，PM) 變磁阻步進電機(Variable Reluctance，VR)或稱反應(yīng)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(yīng)用最為廣泛。41. 兩相混合式步進電機結(jié)構(gòu)兩相混合式步進電機結(jié)構(gòu) 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(zhuǎn)子由兩段有齒環(huán)形轉(zhuǎn)子鐵心、裝在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子鐵心的一端呈N極性，另一端呈S極性，分別稱之為N

3、段轉(zhuǎn)子段轉(zhuǎn)子和S段轉(zhuǎn)子段轉(zhuǎn)子。 轉(zhuǎn)子鐵心的邊緣加工有小齒，一般為50個，齒距為7.2。 兩段轉(zhuǎn)子的小齒相互錯開1/2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(zhuǎn)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(zhuǎn)每轉(zhuǎn)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

4、通總是沿磁阻最小的路徑通過， 磁通從N極性轉(zhuǎn)子經(jīng)定子極回到S極性轉(zhuǎn)子。 由于轉(zhuǎn)子磁場的吸引作用，當(dāng)外力力圖使軸轉(zhuǎn)動時，會有一個反向力矩阻止這種轉(zhuǎn)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(zhuǎn)90度，吸引轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1/4齒距（30度）；n/A 相通電、 /B相、 A相通電定子磁場各旋轉(zhuǎn)90度，各吸引轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1/4齒距（30度）；n4步一個循環(huán)后共轉(zhuǎn)過一個齒距120度，12步后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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單四拍工作狀態(tài)態(tài)93）雙四拍工作狀態(tài)）雙四拍工作狀態(tài)n初

5、始狀態(tài)， A相、B相同時通電，由于兩個定子齒的吸引，轉(zhuǎn)子移動1/8齒距15度，停在一個中間的位置；nB/A相通電，定子磁場旋轉(zhuǎn)90度吸引轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1/4齒距30度； n/A/B、/BA、AB各相通電，定子磁場各旋轉(zhuǎn)90度，各吸引轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1/4齒距30度；n4步一個循環(huán)后共轉(zhuǎn)過一個齒距120度， 12步后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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）單、雙八拍工作方式n在單四拍工作方式基礎(chǔ)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(zhuǎn)子旋

6、轉(zhuǎn)1/8齒距即15度，經(jīng)過這8拍以后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距120度。n旋轉(zhuǎn)一周需24步。11 單、雙八拍工作方式的缺點是產(chǎn)生“強、弱步”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(dāng)兩相繞組通以相等的電流時，電機轉(zhuǎn)子停在一個中間的位置。如果兩相繞組電流不等，轉(zhuǎn)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

7、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一般稱單四拍和雙四拍工作方式為整步距方式整步距方式；單、雙八拍工作方式為單、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(zhuǎn)子磁場的相互作用產(chǎn)生步進電機中定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩：轉(zhuǎn)矩： 定子磁勢定子磁勢IW（安匝），（安匝），I為相電流，為相電流，W為繞組匝為繞組匝數(shù)。數(shù)。 轉(zhuǎn)子磁勢是由轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的，它是一個常數(shù)。轉(zhuǎn)子磁勢是由轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的，它是一個常數(shù)。 所以當(dāng)定子線圈匝數(shù)、轉(zhuǎn)子磁鋼磁性能及定、所以當(dāng)定子線圈匝數(shù)、轉(zhuǎn)子磁鋼磁性能及定、轉(zhuǎn)子鐵心材料、尺

8、寸已確定的情況下，轉(zhuǎn)子鐵心材料、尺寸已確定的情況下，電機產(chǎn)生電機產(chǎn)生的力矩由定子繞組電流決定。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，齒距為7.2 兩段轉(zhuǎn)子鐵心上各有50小齒，齒距為7.2，但兩段轉(zhuǎn)子的小齒相互錯開1/2齒距 定子齒和轉(zhuǎn)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

9、電機 實際電機 轉(zhuǎn)子齒數(shù) 3 50轉(zhuǎn)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(qū)動技術(shù)步進電機驅(qū)動技術(shù) 接口電路接口電路用光電隔離方式將運動控制器和驅(qū)動器連接起來，避免驅(qū)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(shè)定的節(jié)拍方式，轉(zhuǎn)換為功放管的導(dǎo)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(zhuǎn)換為電機輸出功率驅(qū)動負載運動。18驅(qū)動器的接線圖驅(qū)動器的接線圖191）接口電路）

10、接口電路 接口電路用光電隔離方式將運動控制器和驅(qū)動器連接起來。 這種隔離方式可避免驅(qū)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(qū)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(qū)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(shè)定的節(jié)拍方式，轉(zhuǎn)換為功放管的導(dǎo)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(gòu)成；l 用可編程邏輯器件寫入邏輯關(guān)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)

11、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)的雙四拍運行方式的數(shù)據(jù)表。243）功率放大單電壓驅(qū)動方式 由于時間常數(shù)Te=L/R的作用，相應(yīng)的平均電流減少而導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)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

12、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(qū)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(qū)動方式Usna:T1,T4導(dǎo)通;nb:T4關(guān)斷，T1,D2導(dǎo)通nc:T1,T2,T3,T4關(guān)斷 D3,D2導(dǎo)通nd:T2,T3導(dǎo)通ne:T3關(guān)斷，T2,D1導(dǎo)通nf: T1,T2,T3,T4關(guān)斷 D1,D4導(dǎo)通n電流值由Vgn斬波頻率由單穩(wěn)時間決定,一般20KHZ26 四只功率MOSFEF和四只續(xù)流二極管構(gòu)成H橋開關(guān)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(qū)動一臺兩相混合式步

13、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(jié)果經(jīng)單穩(wěn)電路延遲后控制T3和T4的導(dǎo)通與截止。4）功率放大恒流斬波驅(qū)動方式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(guān)器件發(fā)熱；n高頻噪聲對周邊設(shè)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(qū)無論電機工作在整步距、半步距還是微步距，驅(qū)動器每輸入一個脈沖，電機運行一個步距角。實動器每輸入一個脈沖，電機運行一個步距角。實現(xiàn)現(xiàn)位置控制位置控制。 當(dāng)驅(qū)動器輸入脈沖頻率改變時

14、，換相節(jié)拍的速度當(dāng)驅(qū)動器輸入脈沖頻率改變時，換相節(jié)拍的速度改變，改變， 定子磁場旋轉(zhuǎn)速度改變，實現(xiàn)定子磁場旋轉(zhuǎn)速度改變，實現(xiàn)速度控制速度控制。 步進電機的輸出力矩取決于相電流，而相電流僅步進電機的輸出力矩取決于相電流，而相電流僅由驅(qū)動器內(nèi)部的由驅(qū)動器內(nèi)部的Vg控制，一般驅(qū)動器中這個值都控制，一般驅(qū)動器中這個值都是固定的，因此是固定的，因此步進電機一般不能實現(xiàn)力矩控制步進電機一般不能實現(xiàn)力矩控制。305）微步距（細分）技術(shù)）微步距（細分）技術(shù)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(shù)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

15、步運行時，繞組電流每90電角度轉(zhuǎn)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(yīng)的cos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)并送到電機運行時順次取出表中數(shù)據(jù)并送到D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端，轉(zhuǎn)換器的輸入端，則則D/A轉(zhuǎn)換器的輸出即是階梯正弦波和余弦波。轉(zhuǎn)換器的輸出即是階梯正弦波和余弦波。 在恒流斬波電路中，繞組電流由電壓在恒流斬波電路中，繞組電流由電壓Vg控制，因此將控制，因此將D/A轉(zhuǎn)換器的輸出加在轉(zhuǎn)換器的輸出加在Vg控制端就能在繞組中產(chǎn)生階梯控制端就能在繞組中產(chǎn)生階梯波。波。D/

16、A轉(zhuǎn)換器344. 步進電機的主要技術(shù)指標(biāo)和特性步進電機的主要技術(shù)指標(biāo)和特性 分辨率分辨率 ：每個工作節(jié)拍所對應(yīng)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(biāo)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。35 矩角特性矩角特性 電機工作在單四拍工作方式轉(zhuǎn)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(dāng)偏移

17、角達到3.6電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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= 3.636 假定電機工作在單四拍工作方式（分析結(jié)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(zhuǎn)子齒（或S極定子齒與N段轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子在外力矩作用下將產(chǎn)生一個偏移角即定子齒和轉(zhuǎn)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(dāng) 即定子和轉(zhuǎn)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

18、力將產(chǎn)生反向力矩使總的電磁力矩減小。 此時若繼續(xù)增大負載力矩，轉(zhuǎn)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(dāng)偏移角達到3.6即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/2齒距時，兩個鄰近定子齒對轉(zhuǎn)子齒產(chǎn)生的吸力作用大小相等方向相反，電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子將回復(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩仍保持不變則轉(zhuǎn)子將連續(xù)旋轉(zhuǎn)完全失去控制。1.8ee0e37關(guān)于步進電機位置誤差的結(jié)論關(guān)于步進電機位置誤差的結(jié)論 在靜態(tài)情況即電機運動終止

19、時，若電機軸上存在著摩擦在靜態(tài)情況即電機運動終止時，若電機軸上存在著摩擦轉(zhuǎn)矩或非平衡轉(zhuǎn)矩，為了產(chǎn)生電磁力矩以平衡這些外力轉(zhuǎn)矩或非平衡轉(zhuǎn)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。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(zhuǎn)矩越大則誤差越大。在相同負載的情況一臺電機負載轉(zhuǎn)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。下，電機的靜態(tài)剛度越大誤差越小。 最大的位置誤差為一最大的位置誤差為一整步矩角整步矩角（對兩相混合式步進電來（對兩相混合式步進電來說為說為1.

20、8）。如果負載轉(zhuǎn)矩過大使誤差超過一個整步距）。如果負載轉(zhuǎn)矩過大使誤差超過一個整步距角，則電機將產(chǎn)生角，則電機將產(chǎn)生“失步失步”這是非正常的運行狀態(tài)。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(jié)構(gòu)所決定的誤差是由步進電機系統(tǒng)的開環(huán)結(jié)構(gòu)所決定的38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步進電機不適宜應(yīng)用在高速運動的場合。步進電機不適宜應(yīng)用在高速運動的場合。39 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(yīng)用在

21、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(zhuǎn)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，電機的輸出力矩越大。 綜合以上的分析我們可以得出：低速時電機的力矩取決于驅(qū)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(guān) 40 依據(jù)矩

22、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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，應(yīng)提供50%左右的力矩儲備。41 例例 一個應(yīng)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(zhuǎn)矩 Tf=1.47Nm； 加速度轉(zhuǎn)矩 Ta=1.23Nm； 最高工作轉(zhuǎn)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(yīng)的電機可滿足要求。42起動頻率與起停區(qū)