两相混合式步进电机及其驱动技术

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精确的位置控制。•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。接线简单。2三种类型的步进电机•永磁式步进电机（Permanentmagnetmotors，PM)•变磁阻步进电机(VariableReluctance，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最为广泛。31.两相混合式步进电机结构•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。AB15372468AB4•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。52.两相混合式步进电机工作原理NNSSi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极齿彼此错开1/2齿距。6每转12步的模型电机1）不通电状态•在绕组不通电时，由于磁通总是沿磁阻最小的路径通过，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。72）单四拍工作状态8ABAB图6-5taiABBAtbi图6-6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。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9ABBAABBA图6-7taiABBABAABtbi图6-8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因为两个线圈同时通电，产生的力矩比单四拍要大。•4）□□10AABBBAAABBBA图6-9BBAAtaiAABBBAABtbi图6-10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。BBAAtaiAABBBAABtbi图6-11BBAAtaiAABBBAABtbi图6-10•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。115）微步距工作方式•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。•微步距方式的步距角更小，将使电机运行更加平稳。12taitai•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。135）实际电机的工作原理1357定子转子图6-1AB15372468ABNNSSi图6-414线圈1、5、3、7串联组成A相绕组；线圈2、6、4、8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。假定线圈1、5所在的磁极为N极，则线圈3、7所在的磁极为S极。•定子磁极上有40个（或48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1357定子转子图6-1模型电机实际电机转子齿数350转子齿距120度7.2度整步距1/4齿距30度1/4齿距1.8度半步距1/8齿距15度1/8齿距0.9度整步一周节拍数12200半步一周节拍数24400163.步进电机驱动技术•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。•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。17运动控制器接口电路环型分配器功率放大器脉冲方向脉冲方向AuBuBuAuBAAB驱动器驱动器的接线图181）接口电路+5V脉冲方向报警RRR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。192）环形分配器运动控制器接口电路环型分配器功率放大器脉冲方向脉冲方向AuBuBuAuBAAB驱动器•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；由单片机或DSP—类器件通过软件实现。20例一种环形分配器实现方案CPA/D74LS191EPROM2716QAQBQCQDA0A1A2A3D0D1D2D3AuBuBuAu脉冲方向21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，其输出由存储器内容决定。单、双八拍运动方式的数据表CPA/D74LS191EPROM2716QAQBQCQDA0A1A2A3D0D1D2D3A4AuBuBuAu脉冲方向5V22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。双四拍运行方式的数据表CPA/D74LS191EPROM2716QAQBQCQDA0A1A2A3D0D1D2D3A4AuBuBuAu脉冲方向5V23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，现已很少采用。244）功率放大—恒流斩波驱动方式(g)abcdeftitaiABBAtbi图6-625电流放大－＋单稳AuAuAA3D4D1D2D1T2T3T4TgViVUsa:T1,T4导通;b:T4关断，T1,D2导通c:T1,T2,T3,T4关断D3,D2导通d:T2,T3导通e:T3关断，T2,D1导通f:T1,T2,T3,T4关断D1,D4导通电流值由Vg大小决定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。262728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；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。295）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？taiABBABAABtbi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sin值求出并整量化后作成数据表放在存储器中。3132电流放大－＋单稳AuAuAA3D4D1D2D1T2T3T4TgViV•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。33D/A转换器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AllegroA3977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；±2.5A额定电流输出，母线电压最高35V；欠电压、输出短路、过热保护。3435•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CONTROLLOGIC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。36373839整步距方式ABBAABBA图6-740半步距方式AABBBAAABBBA图6-9414细分方式428