步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制原理及仿真分析-張進(jìn)東

1、步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制張進(jìn)東張進(jìn)東雙相四線步進(jìn)電機(jī)雙相四線步進(jìn)電機(jī)0.90.9度步進(jìn)電機(jī)，定子度步進(jìn)電機(jī)，定子8 8槽，轉(zhuǎn)子為永磁體。兩端槽，轉(zhuǎn)子為永磁體。兩端N N、S S極各極各100100齒錯(cuò)開。齒錯(cuò)開。步進(jìn)電機(jī)簡要理論步進(jìn)電機(jī)簡要理論 A A相磁通鏈：相磁通鏈：A A= = MAXMAXcos(Ncos(Nt tm m) ) MAXMAX為磁通鏈最大值；為磁通鏈最大值；為轉(zhuǎn)子變位角。為轉(zhuǎn)子變位角。 轉(zhuǎn)矩為磁通鏈對(duì)于角轉(zhuǎn)矩為磁通鏈對(duì)于角度的導(dǎo)數(shù)和電流值的乘積。度的導(dǎo)數(shù)和電流值的乘積。 單相轉(zhuǎn)矩：單相轉(zhuǎn)矩：T TA A = -K= -KT Ti isin(Nsin(Nt tm m) )

2、= -K = -KT Ti isinsine e 對(duì)對(duì)ABAB相電流分別為相電流分別為i icoscos， i isinsin 因?yàn)楦鼾X相鄰，最終因?yàn)楦鼾X相鄰，最終計(jì)算得合轉(zhuǎn)矩為：計(jì)算得合轉(zhuǎn)矩為：K KT Ti icoscos（e e）。）。對(duì)對(duì)e e趨于趨于0 0，合力矩，合力矩為為i iK KT T。近似恒定值。近似恒定值。ANBASBSNNNNSSSS定子轉(zhuǎn)子ANBASBSNNNNSSSS定子轉(zhuǎn)子ANBASBSNNNNSSS定子轉(zhuǎn)子NANBASBSNNNNSSS定子轉(zhuǎn)子NS輪流對(duì)輪流對(duì)ABAB相通電，電機(jī)轉(zhuǎn)子定向轉(zhuǎn)動(dòng)。相通電，電機(jī)轉(zhuǎn)子定向轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)脈沖控制原理步進(jìn)電機(jī)脈沖控制原理 傳

3、統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)脈沖傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)脈沖控制是用一對(duì)相位差控制是用一對(duì)相位差9090度度的方波來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的的方波來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的A A、B B相線圈電流，以達(dá)到相線圈電流，以達(dá)到定向轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。定向轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。 以以A A相線圈通電超前相線圈通電超前B B相相9090度時(shí)，方向?yàn)檎?。?dāng)度時(shí)，方向?yàn)檎．?dāng)線圈線圈B B相超前相超前A A相相9090度通電度通電時(shí)，電機(jī)反方向轉(zhuǎn)?？刂茣r(shí)，電機(jī)反方向轉(zhuǎn)?？刂苾上嗑€圈導(dǎo)通脈沖的相位兩相線圈導(dǎo)通脈沖的相位就能控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。就能控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。每每1/41/4周期電機(jī)行進(jìn)一個(gè)周期電機(jī)行進(jìn)一個(gè)步進(jìn)角步進(jìn)角0.90.9度。通過控制度。通過控制脈沖的頻率

4、就可以控制電脈沖的頻率就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。機(jī)的轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制原理步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制原理 細(xì)分控制方法是通過精確控制步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制方法是通過精確控制步進(jìn)電機(jī)的A A、B B相電流，分別按照正余弦曲相電流，分別按照正余弦曲線變化。這樣產(chǎn)生的合力矩大小恒定，徑向分力極小。將線變化。這樣產(chǎn)生的合力矩大小恒定，徑向分力極小。將1 1個(gè)步進(jìn)角（即個(gè)步進(jìn)角（即0.90.9度）分成度）分成128128個(gè)微步，通過控制兩相電流，可以停到其中任一個(gè)微步的位置上。個(gè)微步，通過控制兩相電流，可以停到其中任一個(gè)微步的位置上。圖圖2 2為正向時(shí)為正向時(shí)A A、B B相線圈的電流波形示意圖。相線圈的電流波形示意

5、圖。 以以X X點(diǎn)為例，點(diǎn)為例，A A、B B相分別通以電流相分別通以電流IxaIxa、IxbIxb時(shí)，兩相線圈合力使轉(zhuǎn)子可以穩(wěn)時(shí)，兩相線圈合力使轉(zhuǎn)子可以穩(wěn)定停在定停在X X點(diǎn)上。由于電機(jī)不是跳躍轉(zhuǎn)動(dòng)，相對(duì)傳統(tǒng)控制方案，只需要較小的轉(zhuǎn)點(diǎn)上。由于電機(jī)不是跳躍轉(zhuǎn)動(dòng)，相對(duì)傳統(tǒng)控制方案，只需要較小的轉(zhuǎn)矩就可以實(shí)現(xiàn)不丟步啟動(dòng)。因?yàn)橐_控制兩相線圈的電流，而且電流需要矩就可以實(shí)現(xiàn)不丟步啟動(dòng)。因?yàn)橐_控制兩相線圈的電流，而且電流需要換向，即存在正負(fù)兩種電流，所以硬件電路設(shè)計(jì)和控制算法都比較復(fù)雜。換向，即存在正負(fù)兩種電流，所以硬件電路設(shè)計(jì)和控制算法都比較復(fù)雜。步進(jìn)電機(jī)控制原理步進(jìn)電機(jī)控制原理A3988A3

6、988電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部框圖框圖1 1） PHASE1/2/3/4PHASE1/2/3/4分別分別控制控制1/2/3/41/2/3/4線圈電流的線圈電流的方向。方向。2 2） VREF1/2/3/4VREF1/2/3/4分別控分別控制制1/2/3/41/2/3/4線圈電流的大線圈電流的大小。小。3 3） VREF1/2VREF1/2為一對(duì)，分為一對(duì)，分別用正余弦（半波）驅(qū)別用正余弦（半波）驅(qū)動(dòng)。動(dòng)。PHASE1/2PHASE1/2在相應(yīng)在相應(yīng)VREF1/2VREF1/2波形的過波形的過0 0點(diǎn)切點(diǎn)切換。換。步進(jìn)電機(jī)仿真模型步進(jìn)電機(jī)仿真模型1 1） 電機(jī)：使用電機(jī)：使用6.8mH,

7、6.8mH,內(nèi)阻為內(nèi)阻為2.72.7歐。歐。R RL L簡化模型。簡化模型。2 2）驅(qū)動(dòng)波形：以轉(zhuǎn)臺(tái)最高轉(zhuǎn)速）驅(qū)動(dòng)波形：以轉(zhuǎn)臺(tái)最高轉(zhuǎn)速450450度度/ /秒為參照，考慮秒為參照，考慮0.90.9度步進(jìn)電機(jī)和度步進(jìn)電機(jī)和1 1：4 4的機(jī)械的機(jī)械變比，可以使用變比，可以使用50V/500Hz50V/500Hz交流電源，經(jīng)全橋整流再分壓得到一對(duì)近似的正余弦交流電源，經(jīng)全橋整流再分壓得到一對(duì)近似的正余弦（半波）。并且產(chǎn)生同步的相位信號(hào)。（半波）。并且產(chǎn)生同步的相位信號(hào)。3 3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片：按）電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片：按A3988A3988的模塊框圖及行為描述進(jìn)行簡要的電路模型建立。為減的模塊框圖及行為描述

8、進(jìn)行簡要的電路模型建立。為減小仿真運(yùn)算量，并簡化電路，全部使用快衰減方式。電流關(guān)斷時(shí)間通過小仿真運(yùn)算量，并簡化電路，全部使用快衰減方式。電流關(guān)斷時(shí)間通過RCRC設(shè)置為與設(shè)置為與A3988A3988一致的一致的30us30us。4 4）反饋回路：反饋電阻?。┓答伝芈罚悍答侂娮枞? 1歐。為簡化電路，省略反饋歐。為簡化電路，省略反饋1/31/3分壓。分壓。步進(jìn)電機(jī)仿真波形步進(jìn)電機(jī)仿真波形 上邊藍(lán)色為參考電平；黃色為上邊藍(lán)色為參考電平；黃色為反饋電壓；紫色和綠色為電感等效反饋電壓；紫色和綠色為電感等效串阻兩端電壓；紅色正弦曲線是串串阻兩端電壓；紅色正弦曲線是串阻兩端電壓差，反應(yīng)出電機(jī)內(nèi)實(shí)際阻兩端電壓

9、差，反應(yīng)出電機(jī)內(nèi)實(shí)際電流。電流。 電機(jī)速度較低時(shí)，線圈電流上電機(jī)速度較低時(shí)，線圈電流上升速度和下降速度都能跟上參考電升速度和下降速度都能跟上參考電平變化。電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。平變化。電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。 但需要注意當(dāng)參考電平接近但需要注意當(dāng)參考電平接近0 0時(shí)，時(shí)，有一小段范圍電機(jī)里的電流為有一小段范圍電機(jī)里的電流為0 0，會(huì)，會(huì)導(dǎo)致極低速高細(xì)分時(shí)電機(jī)的短暫停導(dǎo)致極低速高細(xì)分時(shí)電機(jī)的短暫停頓，感覺不連貫。頓，感覺不連貫。 可以增大反饋電平（對(duì)應(yīng)增加可以增大反饋電平（對(duì)應(yīng)增加電流或反饋電阻，但受效率及其它電流或反饋電阻，但受效率及其它問題約束）；也可以進(jìn)行正余弦校問題約束）；也可以進(jìn)行正余弦校正，可以起到更

10、好的效果。正，可以起到更好的效果。步進(jìn)電機(jī)仿真分析步進(jìn)電機(jī)仿真分析 電機(jī)速度較高時(shí)，線圈電機(jī)速度較高時(shí)，線圈電流上升速度明顯滯后于參電流上升速度明顯滯后于參考電平信號(hào)，導(dǎo)致電流變形?？茧娖叫盘?hào)，導(dǎo)致電流變形。 電流上升期間回饋電壓電流上升期間回饋電壓一直小于參考電壓，所以對(duì)一直小于參考電壓，所以對(duì)應(yīng)的一對(duì)應(yīng)的一對(duì)MOSMOS管一直導(dǎo)通。管一直導(dǎo)通。減小線圈電阻值或加大電壓減小線圈電阻值或加大電壓會(huì)有改善。會(huì)有改善。 電流下降期間需預(yù)防參電流下降期間需預(yù)防參考電壓降到考電壓降到0 0點(diǎn)時(shí)電流無法點(diǎn)時(shí)電流無法降到降到0 0的情況。否則會(huì)導(dǎo)致的情況。否則會(huì)導(dǎo)致電流未減到電流未減到0 0而開始換向，而

11、開始換向，會(huì)產(chǎn)生較大噪聲?？梢允褂脮?huì)產(chǎn)生較大噪聲。可以使用快衰減或適當(dāng)增大線圈電阻?？焖p或適當(dāng)增大線圈電阻。也可對(duì)波形進(jìn)行校正。也可對(duì)波形進(jìn)行校正。步進(jìn)電機(jī)仿真模型步進(jìn)電機(jī)仿真模型步進(jìn)電機(jī)仿真分析步進(jìn)電機(jī)仿真分析 低速情況下，電機(jī)電流變化率要求較低，電流變化能及時(shí)隨參考電平信號(hào)變化，低速情況下，電機(jī)電流變化率要求較低，電流變化能及時(shí)隨參考電平信號(hào)變化，即電流是標(biāo)準(zhǔn)的正余弦形式。這樣轉(zhuǎn)矩大小基本恒定，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低。通過即電流是標(biāo)準(zhǔn)的正余弦形式。這樣轉(zhuǎn)矩大小基本恒定，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低。通過李沙育波形可以間接反應(yīng)出正余弦和轉(zhuǎn)矩情況。圖形較圓，表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小恒定。李沙育波形可以間接反應(yīng)

12、出正余弦和轉(zhuǎn)矩情況。圖形較圓，表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小恒定。步進(jìn)電機(jī)仿真分析步進(jìn)電機(jī)仿真分析 高速情況下，電機(jī)電流變化率要求較高，電流變化不能及時(shí)隨參考電平信號(hào)變化，高速情況下，電機(jī)電流變化率要求較高，電流變化不能及時(shí)隨參考電平信號(hào)變化，即電流是失真的正余弦形式。這樣轉(zhuǎn)矩大小發(fā)生規(guī)律變化，電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，即電流是失真的正余弦形式。這樣轉(zhuǎn)矩大小發(fā)生規(guī)律變化，電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，噪音增大。通過李沙育波形可以看出正余弦和轉(zhuǎn)矩情況，該情況下會(huì)出現(xiàn)較大周期性噪音增大。通過李沙育波形可以看出正余弦和轉(zhuǎn)矩情況，該情況下會(huì)出現(xiàn)較大周期性噪聲并影響結(jié)構(gòu)壽命。應(yīng)盡可能避免這種情況發(fā)生在機(jī)械結(jié)構(gòu)的共振點(diǎn)。噪聲并影響

13、結(jié)構(gòu)壽命。應(yīng)盡可能避免這種情況發(fā)生在機(jī)械結(jié)構(gòu)的共振點(diǎn)。電機(jī)控制看似簡單，但涉及到極廣泛的學(xué)科理論。電、磁、場、材料、電機(jī)控制看似簡單，但涉及到極廣泛的學(xué)科理論。電、磁、場、材料、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、數(shù)學(xué)、甚至半導(dǎo)體特性結(jié)構(gòu)、力學(xué)、數(shù)學(xué)、甚至半導(dǎo)體特性想深入的進(jìn)行理解并達(dá)到很想深入的進(jìn)行理解并達(dá)到很好的應(yīng)用效果需要大量的知識(shí)積累和大量的實(shí)驗(yàn)分析。讓電機(jī)轉(zhuǎn)起來好的應(yīng)用效果需要大量的知識(shí)積累和大量的實(shí)驗(yàn)分析。讓電機(jī)轉(zhuǎn)起來很容易，但讓電機(jī)轉(zhuǎn)好卻是很有難度的。而且往往隨著應(yīng)用場合的不很容易，但讓電機(jī)轉(zhuǎn)好卻是很有難度的。而且往往隨著應(yīng)用場合的不同，關(guān)注點(diǎn)和控制方式也有很大差異。同，關(guān)注點(diǎn)和控制方式也有很大差異。通過自建模型結(jié)合仿真可以對(duì)電機(jī)控制有比較好的理解。通過自建模型結(jié)合仿真可以對(duì)電機(jī)控制有比較好的理解。因?yàn)榻佑|電機(jī)控制時(shí)間不長，精力有限，還沒來得及深入。理解有誤因?yàn)榻佑|電機(jī)控制時(shí)間不長，精力有限，還沒來得及深入。理解有誤的地方還希望能郵件指正或在個(gè)人網(wǎng)頁留言。的地方還希