PWM技术在电机驱动控制中的应用

合肥工业大学硕士学位论文PWM技术在电机驱动控制中的应用姓名刘伟申请学位级别硕士专业电子与通信工程指导教师齐美彬程洛贵20091101插图清单图21用PWM波代替正弦半波5图22单相桥式PWM逆变电路6图23单极性PWM控制方式波形7图24双极性PWM控制方式波形8图25规则采样法8图31三相反应式步进电动机工作原理图一12图32三相反应式步进电动机单、双六拍运行一13图33小步距角的三相反应式步进电动机的结构一13图34小步距角三相反应式步进电动机的展开图一14图35两相混合式步进电动机结构原理图一16图36磁极上的齿与左右段转子齿的相对位置16图37混合式步进电动机细分时的控制电流波形一17图38步进电机控制系统的组成L8图39单片机控制步进电机框图19图310脉冲序列19图31I变速控制中频率与步长之间的关系21图312步进电机与微型机接口电路之_22图313步进电机与微型机接口电路之二22图314步进电机驱动控制系统组成25图315步进电机力矩、转速、电压关系一25图316合成矢量图26图317TA8435原理图27图318THB6064H结构图一30图41交流异步伺服电动机的原理图33图42幅值控制接线原理图34图43相位控制接线原理图34图44幅相控制接线原理图34图45直流伺服电机转速控制系统方框图36图51三相混合式步进电机绕组电流波形39图52控制系统结构框图40图53两相相位差竿的正弦波产生电路41图54三相PWM波产生电路42图55PS21564功率模块44图表清单表5一LDB9接口插座定义45表52相电流与拨码开关关系表一一46表53电机每转步数与拨码开关关系表467独创性声明本人声明所提交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标记和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得合肥工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签字力。丫串签字醐节瑚阳学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权合肥工业大学可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文作者签名名F伟签字同期砂7年明日学位论文作者毕业后去向工作单位通信地址跏虢者驯签字日期力呷年朗白电话邮编致谢值此学位论文完成之际，谨向曾教导我的师长、鼓励我的前辈、帮助我的同学和朋友、默默支持我的亲人，表达我最诚挚的谢意三年前我十分荣幸地进入合肥工业大学计算机与信息学院进行工程硕士的学习，成为这个优秀集体中的一员。谢谢老师给了我这个机会，让我去重新感受大学，重新去寻找科学，也谢谢老师们给了我许许多多的锻炼机会，让我从项目中学习、提高。师长们身体力行，为我们树立了工作、学习的榜样。作为一名工作多年的在职研究生，因为工作繁忙，毕业设计难免有许多考虑不周全的地方，在这里首先要感谢我的恩师齐美彬老师。齐老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改、中期检查、后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是齐老师仍然细心地纠正我设计中的不足之处，使我的毕业设计不断改进。齐老师细致而又耐心的教导让我受用终身。除了敬佩齐老师的专业水平外，他的治学严谨的态度和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。尊师蒋建国教授一丝不苟的治学态度、渊博的知识、谦虚和蔼的处世态度给我留下了深刻的印象。身为学院的负责人，蒋老师身上担负着沉重的行政任务，但蒋老师在百忙之中还经常对我们进行指导和慰问。程洛贵高级工程师在电子领域有着丰富的实践经验，程工在我的整个毕业设计过程中给了我很多指导和帮助，在产品的安装调试过程中，程工给我提供了很多方便，并给我提供了很多宝贵意见，在这里我对他表示衷心感谢。还有袁兆山老师、詹曙老师、罗月童老师、侯整风老师、王浩老师、周国祥老师、王钊老师、夏娜老师等许多其他的任课老师都给了我许多的指导和帮助，还有我的辅导员曹航老师和徐静老师也给了许多的关心和帮助，在这里，我向所有老师们表示衷心的感谢和祝福在做毕业设计期间，研究生张前进同学给了我很大的指导和帮助，我对他表示衷心感谢，并祝他学习、工作顺利。“不积跬步无以至千里”，这次毕业论文能够最终顺利完成，归功于各位老师对我在校期间的认真负责，使我能够很好地掌握专业知识，并在毕业论文中得以体现。也正是老师们长期不懈的支持和帮助才使得我的毕业论文最终顺利完成。我也要感谢合肥工业大学给我提供了优良的学习环境，除了再一次感谢我的恩师齐美彬老师外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我2专业知识，我会永远记得你们。在此，还要感I9我的父母，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。最后，我向合肥工业大学计算机与信息学院的全体老师们再次表示衷心感谢谢谢你们，谢谢你们对我的辛勤栽培在合肥工业大学所学的知识，将会给我的工作和将来的发展带来很大的益处，作为一名高校教师，我会把从合工大老师们身上学到的渊博的知识、严谨治学的态度带到我自己的工作中，并将时刻激励着我前进。作者刘伟2009年11月3第1章绪论步进电动机是工业控制中应用十分广泛的一种电动机，其性能依赖于驱动电路的控制方式。PWM技术目前在步进电机驱动控制中得到广泛的应用，本文对PWM控制原理做一介绍，并提出了步进电机驱动电路设计方案。11课题背景随着电力电子技术、微处理技术的发展以及永磁材料技术的进步，交、直流电动机调速及伺服系统正在向一体化电动机以及控制数字化的方向发展。一体化电动机的发展方向主要体现于一体的无刷直流电动机及永磁同步电动机系统正在成为交、直流电气传动系统的主流。而脉冲宽度调制PULSEWIDTHMODULARION，PWM技术以及相应的功率开关电路技术则是控制数字化的基础。单片机及DSP的性能不断提高，尤其是DSP中集成的硬件资源越来越多，从应用的角度更加接近于单片机。同时电力电子器件及其驱动技术更加成熟，如IPM模块等功率范围也越来越广。在此基础上，PWM控制技术及电动机控制技术也日趋成熟，在各种形式的周期控制信号中，正弦波控制信号的应用最为普遍，一般统称为正弦波脉宽调制SINUSOIDALPULSEWIDTHMODULATION，SPWM。SPWM等技术的出现及广泛应用等，一方面使得传统电气传动中的电动机控制系统性能不断提高，另一方面也使得较新型的高性能一体化电动机系统在直流及交流电气传动中的应用越来越广【11。12国内外研究现状PWM的应用研究一直受到关注，首要的是PWM的数字化实现技术【21。随着微电子技术和电力电子技术的发展，电机控制系统的数字化己成为得到广泛认同的必然趋势，PWM的数字化实现方法也已成为PWM的主要实现形式。PWM实际应用中另一个重要问题是对器件非理想特性的补偿，包括对死区、功率器件开关时间、控制延时等的补偿。其中死区对P醐性能的影晌最显著，死区对PI矾VL输出电压的影响是多方面的。死区形成的偏差电压使PWM实际输出的基波电压在相位和幅值上与理想情况不同。死区对输出电压的谐波也有影响。死区带来了一系列的低次谐波，增大了电机输出转矩脉动。要实现高性能的数字化交流伺服系统，必须对死区及其它非理想特性进行补偿。在电机控制系统中，PWM单元的前一级通常是电流控制器，PWM单元是电流控制环的一部分。在这种结构中，对PWM的研究离不开电流控制，电流控制方法也应与PM方法相适应。基于这种认识，一些文献对与电流控制相结合的PWM技术进行了研究F3】。PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。因此，研究PWM控制技术具有很重要的意义。IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件给PWM控制技术提供了强大的物质基础14。目前，PWM技术已经在以下几个方面得到了较好的应用1PWM控制技术用于直流斩波电路直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，是P1JLM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统构成广泛应用的直流脉宽调速系统。2PWM控制技术用于交流交流变流电路斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是P1LM控制技术在这类电路中应用的代表，目前应用都还不多，但矩阵式变频电路因其容易实现集成化，可望有良好的发展前景。3PWM控制技术用于逆变电路PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用，奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。除功率很大的外，不用P1】|M控制的逆变电路已十分少见。4PWM控制技术用于整流电路PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路，可看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸。P1】|M整流电路已获得了一些应用，并有良好的应用前景。13本文研究目标和内容安排1。31研究目标本文主要讨论PILL技术在步进电机、伺服电机驱动控制中的应用，介绍步进电机驱动控制器的设计方法。文中设计了一种基于单片机和CPLD的步进电机驱动电路，介绍了电路组成结构及工作原理，为工农业生产和科学研究提供帮助。132内容安排本文的章节内容安排如下第一章为绪论，简述了本文的课题背景及PWM技术在国内外的研究现状，指出了本文的研究目标及研究内容。第二章综述了P1|M控制的基本原理及控制方法，介绍了PI聊VI技术在电机驱动控制中的应用。第三章对步进电机细分驱动控制进行研究，介绍了步进电机的特点及工作原理，主要介绍步进电机细分控制的电路组成、原理及控制方法，并介绍了几种常用的控制芯片。第四章对伺服电机的控制进行研究，介绍了交、直流伺服电机的工作原理及控制方法，并对一个直流伺服电机的转速控制系统做了简要介绍。2第五章具体介绍了基于单片机与CPLD的步进电机P1LM驱动电路的工作原理、电路构成、实现方法以及安装调试，给步进电机PWM驱动控制的研究提供借鉴。第六章对本文工作进行总结，指出本文的工作重点，对后续的研究工作做个展望。第2章综述采用PWM技术实现电机的驱动控制是通过改变脉冲输入信号开通和关断时间来改变输出信号的大小，从而实现对电机调速、定位等方面控制的。改变脉冲信号的开通、关断时间有两种基本方式。一种方式是将脉冲信号的开关频率及周期T固定，通过改变导通脉冲的宽度来改变负载的平均电压，这就是脉冲宽度调制PWM；另一种方式是将脉冲信号的导通宽度固定，通过改变开关频率及周期T来改变负载的平均电压，这就是脉冲频率控制PFM。由于PFM控制是通过改变脉冲频率来实现平均电压调节的，频率变化范围较大。在频率较低时，往往人耳所感觉到的电磁噪声较高；而在频率较高时，会导致功率器件开关损耗的增加，而且还存在功率器件关断速度的限制。最严重的情况是，在某些特殊频率下系统有可能产生机械谐振，就会导致系统产生振荡和出现音频啸叫声。而在PWM控制中，由于脉冲频率固定，通过频率选择不但可以克服上述问题，而且有利于消除系统中由于功率器件开关所导致的固定频率的电磁干扰。因此在电气传动领域内PWM控制技术成为应用的主流【5】。21PWM控制基本原理随着全控性功率电子器件的发展，PWM技术与开关功率电路成为主流技术，在功率应用中基本取代了线性功率放大电路，以减小功率器件导通损耗，提高驱动效率。在PWM技术中，功率器件工作在开关饱和导通状态，通过改变功率器件的驱动脉冲信号的开通与关断的时间，来改变加在负载两端的平均电压的大小。当负载为直流电动机时，也就实现了电动机的调压调速控制【61。脉宽调制PWM在诸如电梯、电机等控制系统中有着广泛的应用，其中一个重要的原因就是PWM实现了模拟控制的数字化，而产生PWM的方法比较简单而且灵活。211理论基础在采样控制理论中有一个重要的结论71冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积，效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。此结论称为面积等效原理，面积等效原理是PWM控制技术的重要基础理论IS。用一系列等幅而不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，把正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，脉冲等4幅，不等宽，中点重合，面积冲量相等，宽度按正弦规律变化。如图21所示。将该等幅而不等宽的脉冲施加于被控对象上，可以起到对被替代的正弦半波的控制效果。这些等幅而不等宽的脉冲就叫P1】|M波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化且与正弦波冲量等效的P1JIM波形也被称为SPWM波形。要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。“JLIILI萋，ILILII鐾霆藿匿应Z322PWYL逆变电路及其控制方法目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。逆变电路是P1JLM控制技术最为重要的应用场合。要想得到期望的PWM波形，可以采用多种方法。221载波调制法用PWBL逆变电路的输出波形作调制信号进行调制，可以得到期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波进行调制，其中等腰三角波应用的最多，因为其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称。与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，该脉冲符合PWM信号波形的要求。调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；当调制信号不是正弦波，而是其它所需波形时，也能得到等效的PWM波。下面结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明191设负载为阻感负载，工作时VL和V2通断互补，V3和V4通断也互补。电路如图22所示信号波载波VD图22单相桥式PWM逆变电路1控制规律UO正半周，VL通，V2断，V3和V4交替通断，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，VI和V4导通时，UO等于UD，V4关断时，负载电流通过V1和VM续流，UO0，负载电流为负区间，IO为负，实际上从VDL和V04流过，仍有UOUD，V4断，V3通后，IO从V3和70L续流，UO0，UO总可得到UD和零两种电平。UO负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，UO可得UD和零两种电平。2单极性PWM控制方式6在UR和LLC的交点时刻控制IGBT的通断。LLR正半周，VL保持通，V2保持断，当驴比时使V4通，V3断，UOUD，当URUC时，给VL和V4导通信号，给V2和V3关断信号，如驴O，VL和V4通，如IO0，VD2和VD3通，妒UD。波形见图24所示。单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制。222规则采样法按SPL；IM基本原理，自然采样法中要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。而规则采样法是工程上的实用方法，效果接近自然采样法，但计算量小得多。规则采样法的采样原理如图25所示，三角波两个正峰值之间为一个采样周期TO。自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期中点即负峰点重合。7图24双极性PWM控制方式波形“一一I了O侧II事II、I、I、，VOI互T三I2ZOJI一一I一一II。I6，IJ古J_一IDT一图25规则采样法规则采样法使两者重合，每个脉冲中点为相应三角波中点，计算大为简化。三角波负峰时刻TD对信号波采样得到D点，过D作水平线和三角波交于A、B点，在A点时刻TA和B点时刻TB控制器件的通断，脉冲宽度艿和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。通常，我们采用调制法得到理想的PWM波形。我们采用正弦波作为调制信号8波，得到SPWM波形，作为步进电机等控制电机的控制信号。除此之外，PVTM控制方法还有相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWLVL、空间电压矢量控制PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM、非线性控制PWM、谐振软开关PWM等方法。在以上几种PWM控制方法中，SPWM法是一种比较成熟的方法，因其输出波形是正弦波，可使步进电机的控制更平稳，因此是目前使用较广泛的一种方法。23PWM技术在电机控制中应用在交流电气传动中，脉宽调制技术用于产生单相或三相交流电即实现逆变，控制信号变为幅值和频率均可变化的周期信号。在各种形式的周期控制信号中，正弦波控制信号应用最为普遍，因此大多数采用正弦波脉宽调制SPLJLM。传统的SPWLUL技术多采用模拟技术来实现，即脉宽调制信号的获得是通过三角波与所希望的调制函数直接比较而获得的。随着高性能的交流伺服驱动系统的全数字控制的发展，用数字方法来实现脉宽调制正逐步得到发展。数字脉宽调制方法多采用规则采样技术，通过三角载波与所希望的调制函数的比较获得数学方程式，PWM信号则是通过对规则采样技术获得的数学方程式的计算获得的。这种数字脉宽调制方法是对模拟自然采样的三角波一正弦波SPWM方法的近似。虽然还存在一些SPWBL优化算法，诸如谐波型SPWLD技术以及准最优SPWL4技术等，但算法复杂，计算时间增加，应用较少TLOL。9第3章步进电机细分驱动控制的研究P1】LM控制技术目前广泛用于步进电机的调速、定位等方面的控制。本章主要对步进电机工作原理、步进电机控制系统的结构组成等进行介绍，对控制方法进行研究，并介绍几种常用的控制芯片。31概述311步迸电机介绍步进电机是一种利用电磁铁的作用原理，将电脉冲信号变换成角位移或线位移的电动机。这种电动机每输入一个脉冲信号，它就转动一定的角度或前进一步，故又称为脉冲电动机FLL】。步进电动机转子的位移与脉冲数成正比，其转速与脉冲频率成正比，而不受电源电压、负载大小和环境条件的影响，因而近年来在脉冲技术和数字控制系统中的应用越来越广泛，例如在数控机床、自动绘图机、轧钢机以及自动记录仪表等设备中都有应用121。在机械结构中，可以用丝杠把角度变成直线位移，也可以用它带动螺旋电位器，调节电压和电流，从而实现对执行机构的控制。在数字控制系统中，由于它可以直接接收计算机输出的数字信号，而不需要进行数模转换，因此用起来非常方便。步进电机角位移与控制脉冲间精确同步，若将角位移的改变转变为线性位移、位置、体积、流量等物理量的变化，便可实现对它们的控制。对步进电机施加一个电脉冲信号时，它就旋转一个固定的角度，称为一步，每一步所转过的角度，叫做步距角。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的【131。312步迸电机特点步进电机作为执行元件的一个显著特点就是具有快速启停能力。如果负荷不超过步进电机所提供的动态转矩值，就能够在“一刹那”间使步进电机启动或停转。步进电机的另一显著特点是精度高。在没有齿轮传动的情况下，步距角可以由每步90。到每步036。另一方面，无论是变磁阻式步进电机还是永磁式步进电机，它们都能精确地返回到原来的位置FL41。步进电机的特点概括起来有以下几点1511步进电动机的输出转角与输入的脉冲个数成严格的比例关系，无累积误差，控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量。2步进电动机的转速与输入脉冲频率成正比，通过控制脉冲频率可以在LO很宽的范围内调节步进电动机的转速。3当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械制动装置。4改变绕组的通电顺序即可改变电动机的转向。5步进电动机存在齿间相邻误差，但是不会产生累积误差。32步进电动机的工作原理步进电机主要由转子和定子组成，其中转子上有绕组，根据绕组的数量分为二相、三相和五相等步进电动机。各绕组按一定的顺序通以直流电，则电机按预定的方向旋转。转子和定子上均布有齿，绕组中的电流每变化一个周期，转子和定子的相对位置变化一个齿。步进电动机的种类很多，一般按励磁方式可分为磁阻式俗称反应式、永磁式和混合式三种；按相数可分为单相、两相、三相和多相等。反应式步进电机，它的工作原理是由改变电动机的定子和转子的软钢齿之间的电磁引力来改变定子和转子的相对位置，这种电动机结构简单、步距角小。永磁式步进电机的转子铁心上装有多条永久磁铁，转子的转动与定位是由定、转子之间的电磁引力与磁铁磁力共同作用的。与反应式步进电机相比，相同体积的永磁式步进电动机转矩大，步距角也大。混合式步进电机结合了反应式步进电机和永磁式步进电机的优点，采用永久磁铁提高电动机的转矩，细密的极齿来减小步距角，是目前数控机床上应用最多的步进电动机。下面以应用较多的三相反应式步进电动机和三相混合式步进电动机为例，分别介绍其结构及工作原理。321反应式步进电机的结构及工作原理图31所示为一个三相反应式步进电动机的工作原理图161，其定J转子铁心均由硅钢片叠成。定子上有6个磁极，每两个相对的极绕有一相控制绕组，所以定子共有三相绕组图中未画出绕组。转子是四个均匀分布的齿，齿宽等于定子极靴的宽度，转子上没有绕组。工作时，各相绕组按一定顺序先后通电。当U相定子绕组通电时，V相和W相都不通电，由于磁通具有通过磁阻最小路径的特点，因此转子齿1和3的轴线与定子极U、U的轴线对齐负载转矩为零时，如图31A所示；当U相断电，而V相通电时，则转子将逆时针转过30。，使转子齿2和4的轴线与定子极V和V的轴线对齐，如图31B所示；当V相断电，而W相通电时，转子再逆时针转过30。，转子1和3的轴线与定子极W和W的轴线对齐，如图31C所示。如此循环往复按UVWU的顺序通电，气隙中就产生步进式的旋转磁场，转子就会一步一步地按逆时针方向转动。电动机的转速取决于定子绕组与电源接通、断开的频率，即输入的电脉冲频率；电动机的转向则取决于定子绕组轮流通电的顺序。若电动机通电顺序改为UWVU，则电动机为顺时针方向旋转。定子绕组与电源的接通或断开，一般由数字逻辑电路或计算机软件来控制。上述通电过程中，定子绕组每改变一次通电方式，步进电动机就走一步，称其为一拍。上述通电方式也称为三相单三拍。其中“单”是指每次只有一相定AU相通电，V相和W相不通电BU相断电，V相通电CV相断电，W相通电图31三相反应式步进电动机工作原理图子绕组通电；“三拍“是指每经过三次切换，定子绕组通电状态为一个循环，再下一拍通电时就重复第一拍通电方式。这种工作方式的三相步进电动机每一拍转过的角度即步距角只30。除了单三拍通电方式外，这种三相步进电动机还可工作在单、双六拍通电方式。这种方式的通电顺序为UUVVVWWWUU。在这种工作方式下，定子三相绕组需经过六次切换才能完成一个循环，故称为“六拍“，而“单、双六拍”则是指单相绕组与两相绕组交替接通的通电方式。拍数不同使这种通电方式的步距角也与单三拍的不同。三相单、双六拍时电动机运行情况如图32所示。当U相定子绕组通电时，和单三拍运行的情况相同，转子齿1和3的轴线与定子极U轴线对齐，如图32A所示；当U、V相定子绕组同时通电时，转子齿2和4又将在定子极V和V的吸引下，使转子沿逆时针方向转动，直至转子齿L和3与定子极U和U之间的作用力被转子齿2和4与定子极V和V7之间的作用力所平衡为止，如图32B所示；当断开U相定子绕组而由V相定子绕组单独通电时，转子将继续沿逆时针方向转过一个角度使转子齿2和4的轴线与定子极V、V7的轴线对齐，如图32C所示。转子转过的角度与相应的单三拍运行时V相绕组通电时转过的角度相等。若继续按VWWWUU的顺序通电，那么步进电动机就按逆时针方向连续转动。在单三拍运行方式时，每经过一拍，转子转过的步距角色30。采用单、双六拍通电方式后，在由U相定子绕组通电到V相绕组单独通电，中间还要经过U和V两相绕组同时通电这一状态，也就是说要经过二拍转子才转过30。所以单、双六拍运行方式时，三相步进电动机的步距角晓30“2。由此可知，同一个步进电动机，因通电方式不同，运行时的步距角也是可以不同的，采用单、双拍运行时，步距角要比单拍运行时减小一半。若通电顺序改为UUWWWVVVUU，则电动机为顺时针方向转动。实际工作中，步进电动机还常采用“双三拍”通电方式，即UVVWWUUV的通电顺序。以双三拍工作的步进电动机，其通电方式改变时的转子位置与相应的单、双六拍通电方式两个绕组同时通电时的情况相同，因此双三拍通电方式每经过一拍转子转过的角度恰好与单、双六拍通电方式经过二拍转子转过的角度相同。这样，双三拍运行方式的步距角也为30。，与单三拍运行方式相同。AU相通电，V相和W相不通电BU、V相同时通电CRJ相断电，V相通电图32三相反应式步进电动机单、双六拍运行单三拍通电方式在切换时出现的一相绕组断电而另一相绕组开始通电的状态容易造成失步，而且由于单一定子绕组通电吸引转子，也易使转子在平衡位置附近产生振荡。而单、双六拍和双三拍通电方式在切换过程中，总有一相绕组处于持续通电状态，转子磁极受其磁场的控制，因此不易失步，运行可靠、稳定，在实际中应用较广泛。由于上述步进电动机的步距角较大，如用于精度要求很高的数控机床等控制系统，会严重影响到加工工件的精度。这种结构只在分析原理时采用，实际使用的步进电动机都是小步距角的。图33所示为最常见的一种小步距角的三相反应式步进电动机的结构。U图33小步距角的三相反应式步进电动机的结构在图33中，三相反应式步进电动机定子上有6个磁极，极上有定子绕组，两个相对极由一相绕组控制，共有U、V、W三相定子绕组。转子圆周上均布若干小齿，定子每个磁极的极靴上也均布若干小齿。根据步进电动机的工作要求，定子及转子的齿宽、齿距必须相等，定、转子齿数要适当配合。即要求U、U7相所在一对极下，定子齿与转子齿一一对齐时，下一相V相所在一对极下的定子齿与转子齿错开一个齿距T的M相数分之一，即为TM；再下一相W相所在一对极下的定、转子齿错开2TM，依此类推。以转子齿数乃40，相数M3，每相绕组有两个极，三相单三拍运行方式为例每一齿足巨的空间角度为见等等90每一极距所占的齿数为丽ZR丢6；3132由于每一极距所占的齿数不是整数，因此当U相定子绕组通电时，电机产生沿U极轴线方向的磁场，因磁通要按磁阻最小的路径闭合，使转子受到磁阻转距的作用而转动，直到UU极下的定、转子齿对齐时，定子VV7极的齿和转子齿必然错开13齿距，即错开9。，如图34所示。由此可知，当定子的相定子转子图34小步距角三相反应式步进电动机的展开图邻极为相邻相时，在某一极下若定、转子齿对齐，则要求在相邻极下的定、转子齿之间错开转子齿距的1M，即它们之间在空间位置上错开360。聊Z，角度。由此可得出这时转子齿数应符合下式条件14ZR2PMK兰L33M式中正整数2P一相绕组通电时在气隙中形成的磁极数；定子相数。例如上例中，由于2P1，M3，可选7，则得ZR40。由图34可知，若断开U相定子绕组而接通V相定子绕组，这时电动机中产生沿V极轴线方向的磁场，在磁阻转距的作用下，转子按逆时针方向转过30。，使定子VV7极下的齿和转子齿对齐。此时UU7极和WW7极下的齿又分别与转子齿相互错开13的齿距。这样当定子绕组按UYWU顺序循环通电时，转子就沿逆时针方向以每一脉冲走30。的规律进行转动。若改变通电顺序，即按UWVU顺序循环通电时，转子则沿顺时针以每一拍30。的规律转动。以上为三相单三拍运行。若按三相单、双六拍运行，步距角则为15。，是单三拍的一半。根据以上讨论可得出步进电动机的步距角公式为伊兰竺竺34R，一一、J，MZNZR式中拍数，NMCC状态系数，采用单三拍或双三拍方时，C1，采用单、双六拍方式时，C2。由此可知，增加拍数和转子的齿数可减小步距角，有利于提高控制精度。增加电机的相数可增加拍数，从而减小步距角。但相数越多，电源及电机的结构越复杂，目前步进电动机一般做到六相。所以增加转子齿数是减小步距角的一个有效途径。步进电动机的转速公式为以尝甏35式中F一步进电动机的脉冲频率拍S或脉冲数S。由此可知，步进电动机的转速与拍数N、转子齿数ZR及脉冲频率F有关。当转子齿数一定时，转速与输入的脉冲频率成正比，与拍数成反比。322混合式步进电机的结构及工作原理图35是一两相混合式步进电动机结构原理图1171。定子与反应式步进电动机的相似，均布8个磁极，A1、A2、A3、A4为A相，B1、B2、B3、B4为B相。同相磁极的线圈串联构成一相控制绕组，并使A1、A3与A2、A4极性相反，BL、B3与B2、B4极性相反。每个定子磁极上均有三个齿，齿间夹角12。转子上没有绕组，均布30个齿，齿间夹角也为12。，转子铁芯分成两段，中间夹有环形永磁体，充磁方向为轴向。两段转子铁芯长度相同，它们相对位置沿圆周方向相互错开12齿距6。即两段铁芯的齿与槽相对。C_C剖面A，A3CLDD喇面A图35两相混合式步进电动机结构原理图若以转子左段铁心作参考，当AL、A3极上的齿与转子齿对齐时，则有A2、A4极上的齿与转子槽相对，B1、B3极上的齿沿顺时针方向超前转子齿14齿距，B2、B4极上的齿沿顺时针方向超前转子齿34齿距；在转子右段铁心，则AL、A3极上的齿与转子槽相对，A2、A4极上的齿与转子齿对齐，B1、B3极上的齿沿顺时针方向超前转子34齿距，B2、B4极上的齿沿顺时针方向超前转子齿14齿距，如图36所示。左段L几厂1厂几R巾厂RRN厂N几厂N右段S图3，6磁极上的齿与左右段转子齿的相对位置由于永磁体的作用，左段转子齿为N极性，右段转子齿为S极性。若A相通以正向电流，假定A1、A3极为S极性，A2、A4极为N极性，则A1、A3极的齿与左段转子齿相吸引，A2、A4极的齿与左段转子齿相排斥，同理，A1、A3极的齿与右段转予齿相斥，而A2、A4极的齿与右段转子齿相吸引，最后转子停留在16。一，LI_山锚左段转子齿与AL、A3极的齿相对齐的位置上。磁路的走向如图35中箭头所示的方向，即从永磁体N极出发，沿轴向穿过转子左段，径向从转子齿经气隙至右段转子齿，沿右段转至轴向至永磁体的S极。若B相能通以正向电流，断开A相，BL、B3极为S极性，B2、B4极为N极性，此时BL、B3极的定子齿与左段转子齿相吸引，B2、B4极的定子齿与左段转子齿排斥，转子将沿顺时针方向转过14齿距即3。；依次断开B相，A相通以负电流，A2、A4极为S极性，A1、A3极为N极性，转子将顺时针方向转过14齿距，停留在A2、A4磁极的定子齿与左段转子齿对齐的位置再断开A相，B相通以负流，B2、B4为S极性，B1、B3为N极性，转子将顺时针方向转过14齿距，达到B2、B4极的定子齿与左段转子齿对齐的位置。若以A一一B一一A一十B一A电流顺序通电，步进电动机将变成逆时针方向旋转。上述步进电动机的通电循环周期为4拍，故可获得步距角为；型丝3。36MZ,430式中13为步距角，ZR为转子齿数，M为周期的拍数。若以一BA一AB一一AB一一AB一一BA四拍通电方式或一BA一“一AB一B一一AB一A一一AB一一B一一BA八拍通电方式均可使混合式步进电动机正确运行，只是在性能上有所不同。若A、B两相电流按图37所示，分成40等份的余弦函数和正弦函数采样点_一。一IILILIIH舢蚴舭鼢舢泅娜，一IIJL；III；L；III3456789113“151617埽192。NLILIIILII。FJ图37混合式步进电动机细分时的控制电流波形给定A相和B相电流，即一个电流周期的循环拍数将成为40，故步进电动机的17步距角将成为一360。竺三03。37，一一L一FJMZ,403U这种以改变步进电动机电流波形，获得更小步距角的方法，称之为步距角细分。改变上述两相电流的采样点数，可以在一个驱动器上实现多种细分数，即获得多种不同的步距角。在三相、五相步进电机中，定子极数随之增加，相应地增加了通电循环的拍数，在一定的转子齿数下，可获得更小的步距角。其结构原理与二相步进电机相似。因为混合式的步进电动机转子上有永磁钢，所以产生同样大小的转矩，需要的励磁电流大大减小。它的励磁绕组只需要单一电源供电，不像反应式需要高、低压电源。同时，它还具有步距角小、启动和运行频率较高，以及不通电时有定位转矩等优点，所以现在已在数控机床、计算机外围设备等领域内得到日益广泛的应用。33步进电机控制系统331典型步进电机控制系统典型的步进电机控制系统FIS】如图38所示。脉冲步警制H功繁大H露怄器广1器广1电机广1W戳图38步进电机控制系统的组成步进电机控制系统主要是由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。步进控制器是由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成。它的作用就是能把输入的脉冲转换成环型脉冲，以便控制步进电机，并能进行正、反向控制。功率放大器的作用是把控制器输出的环型脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。332计算机控制步进电机系统在上述控制方式中，由于步进控制器线路复杂、成本高，因而限制了它的应用。但是，如果采用计算机控制系统，由软件代替上述步进控制器，则问题将大大简化。这不仅简化了线路，降低了成本，而且可靠性也大为提高。特别是采用微型机控制，更可以根据系统的需要灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。典型的单片机控制步进电机系统原理图如图39所示。18图39与图38相比，主要区别在于用单片机代替了步进控制器。因此，单片机的主要作用就是把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。每当步进电机脉冲输入线上得到一个脉冲，它便沿着转向控制线信号所确定的方向走一步。只要负载是在步进电机允许的范围之内，那么，每个脉冲将使电动机转接驱步动进负口电载器机图39单片机控制步进电机框图动一个固定的步距角度，根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可预知步进电机的最终位置。34步进电机控制的方法341脉冲序列的生成在步进电机控制软件中必须解决的一个重要问题就是产生一个如图310所示的周期性脉冲序列。图310脉冲序列从图310中可以看出，脉冲是用周期、脉冲高度、接通与断开电源的时间来表示的。脉冲高度是由使用的数字元件电平来决定的，如一般TTL电平为05V，CMOS电平为O一,IOV等。在常用的接口电路中，多为0,5V。接通和断开时间可用延时的办法来控制。例如，当向步进电机相应的数字线送高电平表示接通时，步进电机便开始步进。但由于步进电机的“步进“是需要一定的时间的，因此在送一高脉冲后需延长一段时间，以使步进电机达到指定的位置。由此可见，用计算机控制步进电机实际上是由计算机产生一系列脉冲波。用软件实现脉冲波的方法是先输出一高电平，然后再利用软件延时一段时间，而后输出低电平，再延时。延时时间的长短由步进电机的工作频率和我们希望达到的电机转速共同来决定。19342方向控制所谓步进电机的方向控制，实际上就是按照某一控制方式根据需要进行选定所规定的顺序发送脉冲序列，即可达到控制步进电机方向的目的。常用的步进电机有三相、四相、五相、六相四种，其旋转方向与内部绕组的通电顺序有关。下边以三相步进电机为例进行讲述。三相步进电机有三种工作方式1单三拍，通电顺序为ABCA；2双三拍，通电顺序为ABBCCAAB；3三相六拍，通电顺序为AABBBCCCAA。如果按上述三种通电方式和通电J顿序进行通电，则步进电机正向转动。反之，如果通电方向与上述顺序相反，则步进电机反向转动。例如在单三拍中反相的通电顺序为ACBA，其他两种方式可以此类推。343步进电机的变速控制步进电机通常是以恒定的转速进行工作的，即在整个控制过程中步进电机的速度不变。然而，对于大多数任务而言，总是希望能尽快地达到控制终点，因此，要求步进电机的速率尽可能快一些，但如果速度太快，则可能产生失步。此外，一般步进电机对空载最高启动频率都有所限制。所谓空载最高启动频率是指电动机空载时，转子从静止状态不失步地步入同步即电动机每秒钟转过的角度和控制脉冲频率相对应的工作状态的最大控制脉冲频率。当步进电机带有负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。根据步进电机的频率特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差；当步进电机启动后，进入稳态时的工作频率又远大于启动频率。由此可见，一个静止的步进电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动的瞬间采取加速的措施。反之，从高速运行到停止也应该有减速的措施。减速时的加速度绝对值常比加速时的加速度大。为此，引进一种变速控制程序，该程序的基本思想是，在启动时，以低于响应频率的速度运行；然后慢慢加速，加速到一定速率后，就以此速率恒速运行。当快要到达终点时，又使其慢慢减速，在低于响应频率的速率下运行，直到走完规定的步数后停机。这样，步进电机便可以最快的速度走完所规定的步数，而又不出现失步。上述变速控制的过程，如图31L所示。下面介绍几种变速控制方法1改变控制方式的变速控制最简单的变速控制可利用改变步进电机的控制方式实现。例如，在三相步迸电机中，启动或停止时，用三相六拍，大约在01S以后，改用三相三拍，在快达到终点时，再度采用三相六拍控制，以达到减速控制的目的。图311变速控制中频率与步长之间的关系2均匀地改变脉冲时间间隔的变速控制步进电机的加速或减速控制，可以用均匀地改变脉冲时间间隔来实现。例如，在加速控制中，可以均匀地减少延时时间间隔；在减速控制时，则可均匀地增加延时时间间隔。具体地说，就是均匀地减少或增加延时程序中的延时时间常数。由此可见，所谓步进电机控制程序，实际上就是按一定的时间间隔输出不同的控制字。所以，改变传送控制字的时间间隔亦即改变延时时间，即可改变步进电机的控制频率。这种控制方法的优点是，由于延时的长短不受限制，因此，使步进电机的工作频率变化范围较宽。3采用定时器的变速控制在单片机控制系统中，也可以用单片机内部的定时器来提供延时时间，其方法是将定时器初始化后，每隔一定的时间，由定时器向CPU申请一次中断，CPU响应中断后，便发出一次控制脉冲。此时，只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加速或减速的目的。这种方法可以提高控制系统的效率。35步进电机与微型机的接口由于步进电机的驱动电流比较大，因此微型机与步进电机的连接需要专门的接口电路及驱动电路【191。接口电路可以是锁存器，也可以是可编程接口芯片，如8255、8155等。驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。有时为了抗干扰，或避免一旦驱动电路发生故障，造成功率放大器中的高电平信号进入微型机而烧毁器件，通常在驱动器与微型机之间加一级光电隔离器，其原理接口21电路如图312和313所示。在图312中，当P1口的某一位如P10输出为0时，经反向驱动器变为高电平，使达林顿管导通，A相绕组通电。反之，当P101时，A相不通电。由P11和P12控制的B相和C相亦然。总之，只要按一定的顺序改变P10P12三位通电的顺序，则可控制步进电机按一定的方向步进。图313与图312的区别是在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离。当P10输出为L，发光二极管不发光，因此光敏三极管截止，从而使达林顿管导通，图312步进电机与微型机接口电路之一V图313步进电机与微型机接口电路之二A相绕组通电。反之，当P100时，经反相后，使发光二极管发光，光敏三极管导通，从而使达林顿管截止，A相绕组不通电。现在，已经生产出许多专门用于步进电机或交流电动机的接口器件或接口板，用户可根据需要选用。36步进电机细分控制步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中得到了广泛的应用。实践证明，步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高步进运行的平稳性，增加控制的灵活性等。国内外研究步进电机细分驱动的文献很多，分别对细分数、均匀步距、恒转矩、低噪音、低振动、抗干扰等方面进行研究20,2L。361步进电机的细分原理1细分的概念步进电机的细分如何实现简单的说，对双极性驱动的电机，整步驱动的时候是给电机相绕组通交变的直流，电流波形是方波或者矩形波，这样电机每一步都停在整步点上，也就是定转子齿槽中心相对的位置，这是自然平衡位置。为了进一步提高电机运行的分辨率、提高平稳性、降低运行噪音，可以把电机的电流按照正弦包络分成若干个台阶来控制，这样电机的运动就变成了微步运动，每次运动整步的几分之一。细分MICROSTEPPING的来历就是这样。2细分控制原理步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步迸电机步距角的细分【2到。在普通驱动方式下，驱动电路只是通过对电动机绕组激磁电流的“开“和“关”，使步进电动机转子以其本身的步距角分步旋转。步进电动机靠定子、转子磁极间的电磁力来进行工作，当它处于“双拍”状态工作时，其定位位置是正好位于两通电磁极的中间，即依靠两通电磁极电磁吸引力的平衡而获得的。由此可以推论如果能够进一步仔细地控制两磁极电磁吸引力的大小，使转子磁极获得更多种由于两相定子磁极的电磁吸引力差异而形成的平衡定位位置。步进电机细分驱动方式就是应用了这一原理，在细分驱动时，细分控制器通过控制各相激磁绕组电流的逐步增大及逐步减小，让转子处于多个磁力平衡状态使电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，实现步距角变小、电动机的旋转得到细化的目的。合成的磁场矢量的幅值决定了电机旋转力矩的大小，相邻两个合成磁场矢量的夹角大小决定了该步距角的大小【231。步进电机控制中已蕴含了细分的机理。如三相步进电机按ABC的顺序轮流通电，步进电机为整步工作。而按AACCCBBBAA的顺序通电，则步进电机为半步工作。以AB为例，若将各相电流看作是向量，则从整步到半步的变换，就是在IA与IB之间插入过渡向量IAB，因为电流向量的合成方向决定了步进电机合成磁势的方向，而合成磁势的转动角度本身就是步进电机的步进角度。显然，IAB的插入改变了合成磁势的转动大小，使得步进电机的步进角度由OB变为05OB，从而也就实现了2步细分。由此可见，步进电机的细分原理就是通过等角度有规律的插入电流合成向量，从而减小合成磁势转动角度，达到步进电机细分控制的目的【241。在三相步进电机的A相与B相之间插入合成向量AB，则实现了2步细分。要再实现4步细分，只需在A与AB之间插入3个向量11、12、13，使得合成磁势的转动角度OLO2O3O4，就实现了4步细分。但4步细分与2步细分是不同的，由于IL、12、13三个向量的插入是对电流向量IB的分解，故控制脉冲已变成了阶梯波。细分程度越高，阶梯波越复杂。在三相步进电机整步工作时，实现2步细分合成磁势转动过程为IAIAB一工B；实现4步细分转动过程为IA一工2一IAB；而实现8步细分则转动过程为IAIL12一13一IAB。可见，选择不同的细分步数，就要插入不同的电流合成向量1251。3细分控制好处细分驱动方式下，由于步距角小，步进电机的控制精度明显提高，同时这种驱动方式又有效抑制低速运行中产生的噪声和振荡现象。采用细分电路后，电动机绕组中的电流