两相混合式步进电机与其驱动技术

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1、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（Permanent magnet motors，PM) 变磁阻步进电机(Variable Reluctance，VR)或称反应式步进电

2、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。,3,1. 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。,4,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。,5,2. 两相混合式步进电机工作原理,定子上有

3、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。,7,2）单四拍工作状态,8,初始状

4、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,9,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

5、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）,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。,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

6、，电机运行将更平稳。,11,5）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。,12,一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

7、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。,13,5）实际电机的工作原理,14,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,模型电机 实际电机 转子齿数 3 50 转子齿距 120度 7.2度

8、 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 12 200 半步一周节拍数 24 400,16,3. 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,驱动器的接线图,18,1）接口电路,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

9、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。,19,2）环形分配器,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,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

10、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,22,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,23,A4接地时，可选通00H0FH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10H1FH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

11、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。,24,4）功率放大恒流斩波驱动方式,25,Us,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MOSFE

12、F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。,26,27,28,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，

13、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。,29,5）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？,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。,31,32,电机运行时顺次取出表

14、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。,33,6 ) 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Allegro A3977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； 2.5 A额定电流输出，母线电压最高35 V； 欠电压、输出短

15、路、过热保护。,34,35,两个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CONTROL LOGIC 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。,36,37,38,39,整步距方式,40,半步距方式,41,4细分方式,42,8细分方式,43,4. 步进电机的主要技术指标和特性,分辨率 ：每个工作节拍所对应的电机角位移。 以

16、二相混合式步进电机为例， 在整步方式分辨率为1.8； 在半步矩时分辨率为0.9； 在4细分时分辨率为0.45； 精度： 理论上的步距角和实际测量到的步距角之差。精度主要取决于制造和装配的精确度： 齿距加工误差和轴承安装偏心是影响精度的主要因素。 这个误差是非积累的。 步进电机的精度指标是在电机空载情况下定义的。 在有载情况下其精度主要由电机的矩角特性决定。,44,矩角特性,45,电机工作在单四拍工作方式 转子在外力矩作用下产生一个偏移角最大值TH即保持力矩。 当偏移角达到3.6电磁转矩重又为零，这不是一个稳定的工作状态。 反向力矩作用下转子将滑向下一个齿对齿状态这种现象称为“失步”,=0 ,=1.8,= 3.6,假定电机工作在单