兩相步進電機的驅動技術演示文稿

兩相步進電機的驅動技術演示文稿1當前第1頁\共有50頁\編于星期日\17點2（優(yōu)選）兩相步進電機的驅動技術當前第2頁\共有50頁\編于星期日\17點三種類型的步進電機永磁式步進電機（Permanentmagnetmotors，PM)變磁阻步進電機(VariableReluctance，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。當前第3頁\共有50頁\編于星期日\17點1.兩相混合式步進電機結構電機的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。當前第4頁\共有50頁\編于星期日\17點轉子由兩段有齒環(huán)形轉子鐵心、裝在轉子鐵心內部的環(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段轉子和S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1/2齒距。當前第5頁\共有50頁\編于星期日\17點2.兩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生的磁場方向也相反。電流從相反方向流過同一相繞組產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12步的模型電機當前第6頁\共有50頁\編于星期日\17點1）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，當外力力圖使軸轉動時，會有一個反向力矩阻止這種轉動，稱為自鎖（detent)力矩。當前第7頁\共有50頁\編于星期日\17點2）單四拍工作狀態(tài)

初始狀態(tài)，A相通電產生保持力矩；B相通電，定子磁場旋轉90度，吸引轉子旋轉1/4齒距（30度）；/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）；4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。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)當前第8頁\共有50頁\編于星期日\17點3）雙四拍工作狀態(tài)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；B/A相通電，定子磁場旋轉90度吸引轉子旋轉1/4齒距30度；/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；4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；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)因為兩個線圈同時通電，產生的力矩比單四拍要大。

當前第9頁\共有50頁\編于星期日\17點

4）□□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。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，經過這8拍以后，轉子轉過一個齒距120度。旋轉一周需24步。當前第10頁\共有50頁\編于星期日\17點單、雙八拍工作方式的缺點是產生“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)。當前第11頁\共有50頁\編于星期日\17點5）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)。當前第12頁\共有50頁\編于星期日\17點一般稱單四拍和雙四拍工作方式為整步距方式；單、雙八拍工作方式為半步距方式。步進電機中定子磁場和轉子磁場的相互作用產生轉矩：定子磁勢IW（安匝），I為相電流，W為繞組匝數。轉子磁勢是由轉子磁鋼產生的，它是一個常數。所以當定子線圈匝數、轉子磁鋼磁性能及定、轉子鐵心材料、尺寸已確定的情況下，電機產生的力矩由定子繞組電流決定。當前第13頁\共有50頁\編于星期日\17點5）實際電機的工作原理

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。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。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。當前第14頁\共有50頁\編于星期日\17點定子磁極上有40個（或48個）齒，齒距為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。。當前第15頁\共有50頁\編于星期日\17點模型電機和實際電機的比較

模型電機實際電機轉子齒數350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12

200

半步一周節(jié)拍數24400

當前第16頁\共有50頁\編于星期日\17點3.步進電機驅動技術

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地線竄入運動控制器電路。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。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。當前第17頁\共有50頁\編于星期日\17點驅動器的接線圖當前第18頁\共有50頁\編于星期日\17點1）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開集電極方式連接到運動控制器中。當前第19頁\共有50頁\編于星期日\17點2）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)形分配器可由多種方式實現(xiàn)：專用集成電路；用計數器及EPROM存儲器構成；用可編程邏輯器件寫入邏輯關系實現(xiàn)；由單片機或DSP—類器件通過軟件實現(xiàn)。當前第20頁\共有50頁\編于星期日\17點例一種環(huán)形分配器實現(xiàn)方案

74LS191是一種十六進制可逆計數器。其輸出的數值由輸入的脈沖個數及方向信號電平高低決定。當方向信號為低電平時，計數器做加計數。當方向信號為高電平時，計數器做減計數。

EPROM2716是數據存儲器，其地址由計數器輸出決定，其輸出由存儲器內容決定。

當前第21頁\共有50頁\編于星期日\17點單、雙八拍運動方式的數據表當方向信號為低電平時，計數器做加法計數，EPROM按正向循環(huán)方式輸出數據表，電機正向旋轉；當方向信號為高電平時，EPROM按反向循環(huán)方式輸出數據表，電機反向旋轉。當前第22頁\共有50頁\編于星期日\17點雙四拍運行方式的數據表A4接地時，可選通00H~0FH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據表

A4接5V時，可選通10H~1FH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據表。當前第23頁\共有50頁\編于星期日\17點

3）功率放大—單電壓驅動方式

由于時間常數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。當前第24頁\共有50頁\編于星期日\17點4）功率放大—恒流斬波驅動方式Usa:T1,T4導通;b:T4關斷，T1,D2導通c:T1,T2,T3,T4關斷D3,D2導通d:T2,T3導通e:T3關斷，T2,D1導通f:T1,T2,T3,T4關斷D1,D4導通電流值由Vg

大小決定斬波頻率由單穩(wěn)時間決定,一般20KHZ當前第25頁\共有50頁\編于星期日\17點四只功率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，其電流經放大后與一給定電壓Vg比較，比較的結果經單穩(wěn)電路延遲后控制T3和T4的導通與截止。當前第26頁\共有50頁\編于星期日\17點當前第27頁\共有50頁\編于星期日\17點

特點電源電壓可以較高，使電流上升更快；輸出電流不受電源電壓波動影響，高效率；存在諧波，使電機、開關器件發(fā)熱；高頻噪聲對周邊設備產生干擾；當前第28頁\共有50頁\編于星期日\17點位置、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。當前第29頁\共有50頁\編于星期日\17點5）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)象當前第30頁\共有50頁\編于星期日\17點如何產生階梯波微步距？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cos和sin值求出并整量化后作成數據表放在存儲器中。當前第31頁\共有50頁\編于星期日\17點當前第32頁\共有50頁\編于星期日\17點電機運行時順次取出表中數據并送到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生階梯波。D/A轉換器當前第33頁\共有50頁\編于星期日\17點6)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、調試等工作。提高了可靠性。降低了制作成本。以美國AllegroA3977芯片為例：整步、半步、4細分、8細分工作方式；內置高端柵極驅動；內置環(huán)形分配器；MOSFET雙H橋恒流斬波驅動；±2.5A額定電流輸出，母線電壓最高35V；欠電壓、輸出短路、過熱保護。當前第34頁\共有50頁\編于星期日\17點當前第35頁\共有50頁\編于星期日\17點兩個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，輸出的信號經延時與CONTROLLOGIC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。當前第36頁\共有50頁\編于星期日\17點當前第37頁\共有50頁\編于星期日\17點當前第38頁\共有50頁\編于星期日\17點當前第39頁\共有50頁\編于星期日\17點整步距方式當前第40頁\共有50頁\編于星期日\17點半步距方式當前第41頁\共有50頁\編于星期日\17點4細分方式

當前第42頁\共有50頁\編于星期日\17點8細分方式

當前第43頁\共有50頁\編于星期日\17點4.步進電機的主要技術指標和特性分辨率：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：

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。當前第44頁\共有50頁\編于星期日\17點

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”Θ=0

°Θ=1.8°Θ=3.6°當前第45頁\共有50頁\編于星期日\17點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”。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。當前第46頁\共有50頁\編于星期日\17點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，若電機軸上存在著摩擦轉矩或非平衡轉矩，為了產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