（机械电子工程专业论文）二相混合式步进电动机系统模型研究.pdf

摘要 摘要 步进电动机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电动机。由于具有步 距误差不积累、易于微电脑控制、成本低和系统使用寿命长等优点，因此被广泛 应用于工业控制中。 论文在阐述二相混合式步进电动机的工作原理及主要特性基础上，对当前的 各种控制和驱动方式及功率放大电路展开了分析和研究。 论文的主要工作是研究二相混合式步进电动机系统的数学模型，对二相混合 式步进电动机系统分别建立主电路模型和驱动电路模型。对绕组串联接法中由于 不同通电状态( 电流，运行频率等) ，发生续流、过续流和截止等现象时端电压的 分析计算。对驱动电路中电源电路的各种状态( 整流桥、开关管均导通；整流桥关、 开关管通；整流桥通、开关管关；整流桥、开关管均关闭) 进行分析并作出简化以 易于仿真的实现。 最后运用m a t l a b 工具对二相混合式步进电动机系统分别建立了端电压确定 子模块、电流模块、转矩模块、旋转电压模块和运动位置模块，并对二相混合式 步进电动机的端电压、位移，角速度和矩频特性等特征量进行了仿真。应用计算 机仿真方法对所建数学模型的特性进行分析和研究。 关键词：二相混合式步进电动机；数学模型；主电路；驱动电路；计算机仿真 a b s t r a c t s t e p p i n gm o t o ri sas p e c i a lm o t o rd e v o t e dt ol o c a t i o na n ds p e e d c o n t r o lp r e c i s e l y s t e p p i n gm o t o rh a v et h ea d v a n t a g e so fn os t e p p i n ge r r o ra c c u m u l a t i o n ，e a s i l ym i c r o c o m p u t e rc o n t r o l ，l o wc o s ta n dl o n gl i f e ，s oi ti sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lc o n t r 0 1 0 nt h eb a s eo fe x p a t i a t i o no ft h es t e p p i n gm o t o rw o r kp r i n c i p l ea n dt h ec h i e f c h a r a c t e r , ia n a l y z e da n dr e s e a r c h e d s e v e r a lo fs t e p p i n gm o t o rc o n t r o l ，d r i v i n g m e t h o d s a n dp o w e ra m p l i f i e rc i r c u i t si nt h i st h e s i s t h em a i nt a s ko ft h i st h e s i si st or e s e a r c ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h e t w o p h a s eh y b r i ds t e p p i n gm o t o rs y s t e m t h em a i nc i r c u i tm o d e la n dd r i v ec i r c u i t m o d e lo ft h et w o p h a s eh y b r i ds t e p p i n gm o t o rs y s t e ma r ee s t a b l i s h e ds e p a r a t e l y t e r m i n a lv o l t a g e s u n d e rt h ec o n d i t i o no fc u r r e n t - c o n t i n u e d ，c u r r e n t - c o n t i n u e d e x c e s s i v ea n dc u r r e n tc u t o f fc a u s e db yd i f f e r e n tc u r r e n ts t a t u s ( c u r r e n tv a l u e ， f r e q u e n c ye t c ) ，a r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e dw h e n t h ew i n d i n g ss e r i e sc o n n e c t i n g v a r i o u ss t a t e s ( b r i d g er e c t i f i e r , t r a n s i s t o rt u r no nb o t h ；b r i d g er e c t i f i e rt u r no f f , t r a n s i s t o rt u r no n ；b r i d g er e c t i f i e rt u r no n ，t r a n s i s t o rt u r no f f ；b r i d g er e c t i f i e r , t r a n s i s t o r t u r no f fb o t h ) o ft h ep o w e rc i r c u i ti nd r i v i n gc i r c u i t sa r ea n a l y z e da n ds i m p l i f i e dt o r e a l i z es i m u l a t i o ne a s i l y f i n a l l y , t h et e r m i n a lv o l t a g ed e t e r m i n a t i o ns u bm o d u l e ，c u r r e n tm o d u l e ，t o r q u e m o d u l e ，r o t a t i n gv o l t a g em o d u l ea n dm o t i o np o s i t i o nm o d u l eo ft w o p h a s eh y b r i d s t e p p i n gm o t o ra lee s t a b l i s h e du s i n gm a t l a bt 0 0 1 t h ec h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t i e so f t e r m i n a lv o l t a g e ，d i s p l a c e m e n t ，a n g u l a rv e l o c i t ya n dt o r q u e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s 2 u r es i m u l a t e d a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee s t a b l i s h e dm a t h e m a t i cm o d e la r e a n a l y z e da n d s t u d i e dt h r o u g ht h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nm e t h o d k e yw o r d s ：t w o - p h a s eh y b r i ds t e p p i n gm o t o r ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ； t h em a i nc i r c u i t ；d r i v ec i r c u i t ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究王作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作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 了谢意。 本学位论文成果是本人在广东王业大学读书期阆在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承 6 1 谚年多月歹日 第一章绪论 1 1步进电动机概述 第一章绪论 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为s t e p p e rm o t o r 、 s t e p p i n g m o t o r 或s t e p p e r 等。它是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信 号转他成相应的焦位移或线位移的控制电动机i 。它可以看作是一种特殊运行方 式的同步电动机，由专用电源供给电脉冲，每输入一个脉冲，步迸电动机就移动 步。这种电动机的运动形式与普通迅速旋转的电动机有一定的差别，它是步进 式运动的，所以称为步进电动机。又因其绕组上所加的电源式脉冲电压，有时也 称它为脉冲电动机。步进电动枧受脉冲信号控制，它的直线位移量或焦位移量与 电脉冲数成正比，所以电动机的线速度或转速也与脉冲频率成正比，通过改变脉 冲频率的高低就可潋在很大的范圈内调节电动机的转速，并能快速起动、制动和 反转。所以，电动机步距角和转速大小都不受电压波动和负载变化的影响，也不 受嚣境条件如溢度、气压、冲击和振动等影响。它每转一周都有固定的步数，在 不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。这些特点使它广泛使用于数字 控制的开环系统中，并使整个系统大为简化而又运行可靠 2 , 3 1 。 步进电动机有多种不同的结构，主要类型可分为反应式步进电动机、永磁式 步进电动机和混合式步迸电动机湖。近2 0 多年来，步进电动机驱动技术和电动 机结构都得到了很大的发展，逐渐形成以混合式及反应式为主的产品格局。混合 式步进电动机是在同步电动机或者说是在永磁感应子式同步电动机的基础上发展 起来的，其综合了该两类步进电动机的特点，因而性能更好。国外步进电动机研 究较早，步进电动机驱动技术的研究成果也很多，如今正在研究开发以步进电动 枧为执行机构的高性能伺服系统。我国步进电动机的研究及制造始于上世纪5 0 年代后期，对步进电动机精确模型也做了大量研究工作，如今，各种步进电动机 及其驱动器作为产品被广泛利用。 广东t 业大学工学硕上学位论文 1 2 步进电动机特点及其应用 1 2 1 步进电动机特点 步迸电动机本体、步进电动机驱动器和逻辑控制器构成步进电动机系统。二 相混合式步进电动机系统框图如图卜1 所示【4 1 。 吓目l 寸日1 逻辑 相2相2 l 脉冲- 、 控制 驱动器 器 g n d g n d 图1 - 1 二相混合式步进电动机系统框图 f i g u r e1 一l t h ed i a g r a mo f2 - p h a s eh y b r i ds t e p p i n gm o t o rs y s t e m 步进电动机具有自身的特点，归纳起来有： 1 ) 高精度的定位：步进电动机最大特征即是能够简单地做到高精度的定位 控制； 2 ) 位置及速度控制：步进电动机在停止状态下( 无电脉冲信号输入时) ，仍 具有激磁保持力，故即使不依靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持； 3 ) 动作灵敏：步进电动机因为加速性能优越，所以在做到瞬时起动、停止、 快速正反转和频繁的定位动作； 4 ) 开回路控制：步进电动机的控制系统结构简单，不需要速度感应器及位 置传感器，按输入的脉冲来对转子的速度及位置进行控制； 5 ) 中低速时具备高转矩：步进电动机在中低速时具有较大的转矩，能够较 同级伺服电动机提供更大的扭力输出； 6 ) 小型、高功率：步进电动机体积小、扭力大，尽管在狭窄的空间内，仍 可顺利安装，并提供高转矩输出。 步进电动机的主要缺点是效率较低，并且需要配上适当的驱动电源；带负载 惯量的能力不强；此外在应用中，步进电动机运转也可能出现低频振荡，而需要 细分驱动等技术来克服低频共振的危害。 第一章绪论 1 2 2 步进电动机的应用 经过长期的发展，步进电动机的应用己渗透到数字控制的各个领域，尤其在 数控机械中广泛利用了其开环控制的特点。近年来，随着微电子技术、大功率电 力电子器件及驱动技术的进步，步进电动机在办公自动化机器、工业机械和计算 机外设等领域作为控制用电动机和驱动用电动机被广泛使用。图1 - 2 所示为步进 电动机在打印机中的应用。图卜3 为e v o l u t i o n 公司的e r l 机器人，运动部件采 用步进电动机驱动【5 1 。 步进电动机 图卜2 步进电动机在打印机中的应用 f i g u r e1 2s t e p p i n gm o t o ra p p l i e di np r i n t e r 图卜3 步进电动机在机器人中的应用 f i g u r e1 - 3s t e p p i n gm o t o ra p p l i e di nr o b o t 1 3 步进电动机及其驱动技术的发展概况 1 3 1 国内研制概况 动机 广东t 业大学工学硕十学位论文 ( 1 ) 步进电动机的发展概况 我图步进电动机的研究及制造起始于2 0 世纪5 0 年代中期。主要是高等院校和 科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品多以多段结构三相反 应式步进电动机为主而成为国际电机行业的一大特色。随着制造工艺的进步，混 合式步进电动机的生产和研究有所突破。融于其具有力矩大、运行平稳、高频矩 频特性好的特点，在应用中已超越反应式和永磁式步进电动机而占主导地位。而 今，先进的工艺技术的赢用与高性能永磁材料的诞生都为混合式步进电动机提供 了前所未有的发展空间。纳米制造技术，涉及精密机构、精细化、微细加工、磁 材料处理、绕组制造和绝缘处理等工艺技术的不断成熟；钕铁硼永磁材料( 工作 温度为1 5 0 ，最大磁能积为3 2 7 9 6 m g a m ，可逆温度系数为- 0 0 8 ) 和铁氧体 永磁材料的规模生产，这都为生产高性能的混合式步进电动机作了必要的准备 1 6 , 7 , s , 9 1 。 ( 2 ) 电源功放级元器件使用情况 驱动电源性能的好坏及可靠性，在很大程度上与末级功放所用的功率元件直 接相关。最初使用的末级功放元件是可控硅。可控硅是一种脉冲触发的开关器件， 它突出的优点是输入功率小、输出功率大、耐压高、成本较低。在七十年代幽于 国内大功率高低压晶体管较少，所以用可控硅为功率器件的驱动器曾一度占据主 流。可控硅虽然触发简单，但关断困难，容易形成误触发，可靠性差，抗于扰能力 不好。近年来随着大功率晶体管的发展一般不再采用。晶体管具有控制方便、开 关速度快以及元件损耗小等优点，并且由于采用先进的设计，晶体管的开关特性 和耐压过流能力有了相当大的改进，因而近几年国内外绝大多数的驱动电源使用 晶体三极管作为末级功放元件。近年来，由于v 形槽金属氧化物半导体场效应晶 体管( v m o s f e t ) 综合了大功率双极晶体管和场效应晶体管的优点，具有大功率、 耐高压、高增益酶特点，因丽可大大提高驱动电源的可靠性。随着成本的降低及 使用经验的积累，越来越多的驱动电源将会使用m o s f e t 作为末级功放元件【l o 】。 ( 2 ) 驱动电源毫路结构的发震 不同形式的功率放大电路对电动机性能的影响各不相同，这种不同形式的功 率放大电路的差别主要是功率放大电路中不同的输出级结构。单电压的驱动电路 在二十世纪六十年代初圉外就已大量使用，它的主要特点是线路结构简单和成本 低，电动机的高频特性好。缺点是功耗较大，因而它一般用于小功率或启动、运 第一覃绪论 行频率要求不高的场合。高低压驱动电路在六十年代末出现，是随着对步进电动 机要求大功率驱动和高频工作而出现的。它的特点是改善了电流波形，电动机的 转矩特性很好，启动和运行频率得到很大的提高。但由于电动机旋转反电势和互 感等因素的影响，易使电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形， 致使电动机的输出力矩有所下降。为了弥补高低压驱动电路的高、低压电流波形 在连接处为凹形的缺陷，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路 由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿波形波动，电流绕组的有效 电流相应的增加，故电动机的输出转矩增大，能基本上保持恒定：整个系统的功 耗非常小，电源效率较高，因而恒流斩波电路应用相当广泛【1 1 1 。细分驱动电路在 七十年代中期由美国学者首次提出，它通过控制电动机各相绕组中电流的大小和 比例，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一。细分驱动能极大地改善步 进电动机运行的平稳性，提高匀速性，减轻甚至消除振荡。近几年来，由于微处 理机技术的发展，细分电路获得了广泛应用。 1 3 2 国外研制概况 国外对步进电动机的研究一直很活跃。目前，国外对步进电动机的控制和驱 动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片，结果是大大缩小驱动器的体积，明 显提高了整机的性能。比较典型的芯片有两类：一类芯片的核心是用硬件和微程 序来保证步进电动机实现合理的加减速过程，同时完成计步、正反转等。对于开 环使用的步进电动机，实现合理的加减速过程便可使其达到较高的运行频率而不 失步或过冲。如美国国家半导体公司生产的l m 6 2 8 、惠普公司的h c p l l l 0 0 等。用 一个芯片即完成速度曲线规划、p i d 伺服控制算法、编码器信号的处理等多种功 能。一些需要用户经常更改的参数如电机位置、速度、加速度、p i d 参数等均在 芯片内部的删内，可由计算机用指令很方便的修改1 1 2 , 1 3 。另一类芯片的核心是 实现细分技术，内部集成p w m 斩波控制和函数型双极驱动电路细分控制功能，如 t i 公司推出的t m s 3 2 0 c f 2 4 x 2 4 x x 系列是专为基于控制的应用而设计的十六位 定点d s p 控制器，它将高性能的d s p 内核和微控制器丰富的片内外设集成于 一个芯片中，提供比传统的微处理器和微控制器强大得多的性能。1 6 位定点d s p 内核具有每秒2 0 - 4 0 兆条指令( m i p s ) 的高速运算能力，不仅能够实现全数字 5 厂乐正业大学 掌帧士学位论义 皇詈詈! ! ! ! 删h i i i i i i i i , i i 基皇= = 皇詈詈詈鼍燃糟皇置皇詈詈毫皇皇篇燃皇鲁皇昌暑詈詈詈鼍群糍鼍皇詈= = 詈詈詈掌黧篇皇鲁詈詈詈詈寡群燃燃世皇皇暑皇暑皇皇邕攀黛皇皇詈詈詈詈詈詈燃燃篁皇詈詈 化的控制，而且能够实时实现自适应控制等复杂的高级控制算法，得到更好的系 统性能 1 4 , 1 5 , 1 6 】。目前由于集成芯片受到耐压、电流容量的限制，一般只能用于小 功率步进电动机的驱动。近年来，国辨许多厂商相继推出了多种步进电动机控制 与驱动芯片和多种不同功率等级的功率模块，仅由几个专用芯片和一个功率模块 便可构成一个功率齐全、性能优募的步进电动机驱动器。 总而言之，国外所采用的集成技术涉及到了微电子技术、集成电路加工技术、 电力电子技术的前沿。 1 3 3 步进电动机系统的发展趋势 步进电动机今后的发展，依赖于薪材料的应用、设计方法以及驱动技术的最 佳匹配。首先，精确的分析和设计、模型的建立和完善是一项重要的基础研究。 其次，隧着皇动控制技术、计算机网络逶信技术在众多领域中的进步应用与发 展以及数字化、智能化控制技术的日益成熟，模糊控制、神经网络及矢量控制等 现代智能控制技术理论都应用到了步进电动机系统的研究中，智能化控豢l 技术应 用于步进电动机系统将成为主要发展方向。最后，电力电子技术、微电子技术的 发展，高性熊永磁材料的应用及优化设计技术对步进电动机的发展起到重要作用 【7 1 。 1 4 本课题研究的意义及主要工作 二相混合式步进电动机广泛应用予工业控制孛，研究人员对英进行了长期不 懈的研究，工作性能也有很大的提升，但远跟不上人们对其高精度、宽工作频域 等高性能的需求。因此，缀有必要对二相混合式步进电动机进行深入的研究，建 立精确的模型也就尤为重要。计算机技术的飞速发展，为研究数学模型提高了很 好的手段，借助其高速运算能力，不断修正试验参数，进两获得具有较好实属性 的数学模型。这种研究路线具有科研成本降低、人力资源节省和工作效率提高的 特点。 论文考虑了驱动器工作条件对步进电动机系统的影响，加入对整流桥、电容 及电感等非线性元件的研究，使建立的数学模型有效地反应实际步进电动机系统 模型。 本论文一共分五章，第一章是绪论，论述了步进电动机及其驱动技术的发展 第一章绪论 概况；第二章以二相混合式步进电动机为主介绍了步进电动机的分类及工作原理； 第三章以升频升压驱动和细分驱动为侧重点，介绍了步进电动机的主流驱动方式； 第四章介绍基于升频升压驱动方式二相混合式步进电动机数学模型的建立；第五 章在前一章所建模型的基础上运用m a t l a b s i 删l i n k6 0 对二相混合式步进电 动机系统分别建立了端电压确定子模块、电流模块、转矩模块、旋转电压模块和 运动位置模块，应用计算机仿真方法对所建数学模型的特性进行分析和研究。最 后是论文总结及展望。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章步进电动机的工作原理 2 1 步进电动机的分类 步进电动机分为三大类【，】： ( 1 ) 反应式步进电动机( v a r i a b l er e l u c t a n c es t e p p i n gm o t o r ，简称v rm o t o r ) 反应式步进电动机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单， 成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电动机有单段式和 多段式两种类型；如图2 - 1 所示为单段反应式步进电动机剖视图【4 】。 缀 图2 - 1 单段反应式步进电动机剖视图 f i g u r e2 - 1c u t a w a yv i e wo f as i n g l e s t a c kv rm o t o r ( 2 ) 永磁式步进电动机( p e r m a n e n tm a g n e ts t e p p i n gm o t o r ，简称p mm o t o r ) 永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的 极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好， 消耗功率小( 相比反应式) ，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。如图 2 2 所示为永磁式步迸电动机剖视图【4 】。 第二章步进电动机的工作原理 图2 2 永磁式步进电动机剖视图 f i g u r e2 - 2c u t a w a yv i e wo fap mm o t o r ( 3 ) 混合式步进电动机( h y b r i ds t e p p i n gm o t o r ，简称h bm o t o r ) 混合式 步进电动机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，转 子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不 必提供磁材料工作点的耗能，因此该电动机效率高，电流小，发热低。因永磁体 的存在，该电动机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程 中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交 流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进 增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电动机在工业领 域中得到广泛应用。如图2 - 3 所示为混合式步进电动机剖视刚4 1 。 图2 - 3 混合式步进电动机剖视图 f i g u r e2 - 3c u t a w a yv i e wo fah bm o t o r 9 广东一业大学工举硕j ：学位论义 昔詈詈皇詈詈葛鼍燃黼昔皇盲昌詈詈詈兽0 搿, , 一i f , , - 。l p j i i u 皇詈詈皇詈詈鼍墨燃篁兰暑詈皇詈詈詈鼍燃燃篇葛詈皇 混合式步进电动机比较常见的有二相，三相，五相等。三相、五相系统与二 相系统相比，相数过多，制造工艺更复杂，成本相对较高剐。现在般只用于那 些性能要求很高的领域。二相系统结构简单，成本低，但是早期的系统有一定的 缺点，主要表现在：早期的二相系统分辨率不高；启动频率不高，运行的频域窄； 易振荡、噪声大，运行不够平稳 1 7 , 1 s 。焉隧着驱动技术的蓬勃发展，特别是建立 在电流控制技术基础上的微步驱动技术的日益成熟，微步驱动技术经过2 0 、3 0 细分，甚至无限细分，使得分辨率的提高不再依赖于相数的增多，三相、五相系 统的应用范围逐渐变窄。二相电动机系统大有取代三相、五相电动机的趋势 1 9 , 2 0 。 嚣翦的新型二相混合式步进电动机结合了三相和五相混合式步进电动机的优点， 工作平稳，是一种性能非常优越的电动机。与交流伺服电动机相比，虽然其性能 差一些，但成本低，驱动电路简单。由于这些优点，二相混合式步进电动机在数 控、纺织、绘图和工业机器人等领域得到了广泛的应用【2 l 】。所以研究二相混合式 步进电动机系统，是一项有价值的工作。基于二相混合式步进电动机的广泛用途， 且复杂程度高于反应式和永磁式步进电动机，因此以二相混合式步进电动机阐述 步进电动机工作原理具有很强的代表性。 2 2 - - - + i | 混合式步进电动机的结构和工作原理 2 2 1 - - + i j 混合式步进电动机结构 混合式步进电动机具有轴向励磁源和径向励磁源的特点。结构上，它的定、 转子上开有很多齿槽，这与反应式步进电动机相似；磁路内含有永久磁钢，这与 永磁式步进电动机相似【2 2 l 。二攘混合式步进电动机的典型结构如图2 - 4 所示。它 的定子结构与反应式步进电动机基本相同，有四个极，极上有小齿及控制线圈。 转子由环形磁钢及二段铁心组成，环形磁钢在转子的中部，轴向充磁，二段铁心 分别装在磁钢的两端，转子铁心上也有如反应式步进电动机那样的小齿，但二段 铁心上的小齿相互错开半个齿距，定、转予小齿的齿距通常相同，如图2 - 4 ( a ) ，( b ) 所示。 2 2 。2 二相混合式步进电动机工作原理 l o 第二苹步迸电动机的工作原理 二相混合式步进电动机的定子为二相四极，二相相绕组分别绕在相对的两个 磁极上，且这两个磁极的极性是相同的，这是与二相相反应式步进电动机的不同 之处。它的每段转子铁心上有六个小齿。 从电动机的某一段看，当定子的一个磁极与转子齿的轴线重合时，相邻磁极 与转子齿的轴线就错开1 2 齿距。如图2 4 中所示a 段转子铁心的情况，a 相磁 极下定转子齿的轴线重合时，b 相磁极分与转子齿错开1 2 齿距。a ，、b 极下的 情况分别与a 、b 极下的情况相同。 假如转子上没有磁钢，只是在定子的控制绕组里通电，这个电动机不产生转 矩。由于转子磁钢的作用，使a 段转子铁心呈n 极性，b 段转子铁心呈s 极性。 当a 相通电时，转子处于图中所示位置，此时与a 段转子铁心相对的定子a 相极 下气隙磁导为最大，与b 段转子铁心相对的定子a 相极下气隙磁导为最小。当转 子转动时，a 段转子铁心对应的a 相极下气隙磁导减小，b 段转子铁心对应的a 相极下气隙磁导增大，使得a 相主磁路上的总磁导基本不变，其他相通电时也一 样，所以没有转矩，可见它与三相反应式步进电动机不一样。反应式步进电动机 不存在转子错齿现象，通电相主磁路的磁导随着转子的转动而增大或减小。 ( a ) a 段铁心截面图( b ) b 段铁心截面图 图2 - 4 二相混合式步进电动机横截面图 f i g u r e2 - 4t w o p h a s eh y b r i ds t e p p i n gm o t o rc r o s s s e c t i o n s 二相混合式步进电动机的转子磁钢充磁以后，一端为n 极，并使得与之相邻 1 1 广东工业大学工学硕士学位论文 的转子铁心的整个圆周都呈n 极性；另一端为s 极，并使得与之相邻的转子铁心 的整个圆周都呈s 极性。如果定子绕组不通电，仅仅有转子磁钢的作用，电动机 也基本上不产生转矩。永磁磁路是轴向的，从转子a 端到定子的a 端，轴向到定 子的b 端、转子的b 端，经磁钢闭合。在这个磁路上每个极的范围内，由于二段 转子的齿错开了1 2 齿距，当一端磁导增大时，另一端磁导必然减小，在忽略高 次谐波时，使每个极的总磁导在转子位置不同时基本保持不变，因而整个磁路的 总磁导与转子位置无关。 只有在转子磁钢与定子磁势相互作用下，才产生电磁转矩。例如转子磁钢充 磁，且定子a 相通电的乡下，转子就有一定的稳定平衡位置，即a 相a 段极下 定、转子齿对齿的位置。当外加力矩使转子偏离稳定平衡位置时，例如转子向逆 时针方向转了一个小的角度a 0 ，n - 段定、转子齿的相对位置及作用转矩的方 向如图2 - 5 ( a ) 、( b ) 所示，由于沿圆周方向电动机结构的对称性，图只画出通电 相一个极下的情况，图中t 表示电磁转矩，s ，n 分别表示南极和北极。可以看出， 二段转子铁心所受到的电磁转矩是同方向的，都是使转子回到稳定平衡位置的方 向。这是由于在电动机两端，定子极性相同，转子极性相反，但互相错开了半个 齿距，所以当转子偏离稳定平衡位置时，两端作用转矩的方向是一致的。混合式 步进电动机的稳定平衡位置是：定、转子异极性的极下磁导最大，而同极性的极 下磁导最小。 幽彳u 占，u 么， 甫日田田 a 0 ( a ) a 段的情况 山彳ub ，u 彳， 田；i 田田冈 i 图2 - 5 转子逆时针方向转过a 0 时，定、转子齿的相对位置及作用转矩 f i g u r e2 - 5t h et o r q u ea n dr e l a t i v ep o s i t i o no fs t a t o ra n dr o t o ra f t e r r o t a t i n ga 0a n t i - c l o c k w i s e 1 2 第二覃步进电动机的工作原理 上述电动机任意两个相邻定子磁极轴线间的夹角为3 6 0 0 4 = 9 0 0 ，每一个转子 齿距所对应的空间角度为3 6 0 0 6 = 6 0 0 。 当一相绕组通电，如a 相绕组正向通电，b 相绕组不通电时，电动机内建立 以州为轴线的磁场。这时a 相磁极呈s 极性，而转子铁心a 段呈n 极性，b 段呈 s 极性，由于转子的稳定平衡位置是使定、转子异极性的极下磁导最大，同极性 的极下磁导最小的位置，故转子处于图2 4 所示位置；a 相磁极与a 段转子齿轴 线重合，与b 段转子齿错开1 2 齿距。a 、b 相磁极轴线间所包含的转子齿数为 1 9 0 0 6 0 0 = 1 + 圭，则b 相磁极沿彳f 方向分别与a 、b 段转子齿相差1 2 、0 齿距。 z 在a 相断电的同时，给b 相反向通电，则建立以b b 为轴线的磁场。此时b 相磁极呈s 极性，转子沿a b 方向转过1 2 齿距，达到b 相磁极与b 段转子齿轴 线重合、与a 段转子齿错开1 2 齿距的位置。此时a 相磁极沿a b 方向分别超前 a 、b 段转子齿一1 2 、1 2 齿距。可见，在连续不断地按彳一百一孑一b a 的顺序分 别给各相绕组通电时( a ，b 分别表示彳相，曰相反向通电) ，每改变通电状态一次 时，转子沿a b 方向转过1 2 齿距，即3 0 0 空间角。由上分析知：按彳一百一才一曰一4 的顺序轮流通电，循环一次，转子沿a b 方向转过两个齿距，即1 2 0 0 空间角。 同理，如果按彳一b 一才一百一彳的顺序轮流通电，转子沿a b 方向以较慢的速 度断续转动。即改变轮流通电顺序，就可以改变电动机的转向。 对步进电动机加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每 一个脉冲信号对应于绕组地通电状态改变一次，也就对应于转子转过一定的角度。 转子的平均转速正比于控制脉冲的频率。电动机也可按特定的指令转过一定的角 度。 如上所述，在a b 二相绕组内分别轮流单独通电的运行方式，称为二相单四 拍运行。“二相 指二相步进电动机；“单指同时只有一相绕组通电；“四拍 是表 示四种通电状态为一个循环，即四次通电状态后又回复到起始状态，电动机内的 磁场恢复到初始状态，转子转过一个齿距，定、转子齿的相对关系不变。除二相 单四拍运行方式外，二相混合式步进电动机还可以采用双四拍和八拍等常规运行 方式【3 6 2 3 1 。 广东工业大学工学硕i 上| 学位论文 2 3 本章总结 本章介绍了步进电动机的分类及各类步进电动机机的结构特点和性能上的 优缺点。以二相混合式步进电动机分析了步迸电动机的工作原理，这为后续工作 提供了必要的基础。 1 4 第兰章二相混合式步进电动机的驱动系统 第三章二相混合式步进电动机的驱动系统 步进电动机不能直接援到交直流电源上工作，必须由专门的驱动电源供给， 驱动电源和步进电动机是个有机整体，步进电动机的运行性能是电动机及其驱 动电源二者配合的综合表现。同一台电动机配以不同类型的驱动电路，其性能会 有较大差异。步进电动机系统的性能和运行品质在很大程度上取决于其驱动电路 的结构和性能。因此，深入研究和分析步进电动机驱动系统就显得十分必要 2 4 , 3 9 。 3 1 二相混合式步进电动机驱动系统的组成 步进电动机驱动系统主要构成如图3 - 1 所示，驱动电源的基本部分包括变 频信号源、脉冲分配器和脉冲功率放大器团】。 圈3 - 1 二槎混合式步进电动飒驱动系统的组成 f i g u r e3 - 1t w o p h a s eh y b r i ds t e p p i n gm o t o rd r i v es y s t e mc o m p o n e n t s 其中，变频信号源是一个频率从数十赫兹到几万赫兹左右的连续可变的脉冲 僖号发生器，脉冲分配器是由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，它根据指 令把脉冲按一定的逻辑关系加到放大器上，使步进电动机按一定的运行方式运转。 从脉冲分配器输出的电流一般较小，需经功率放大器放大后才能驱动步进电动机。 3 。2 二相混合式步进电动机驱动技术 步进电动机的驱动方式是随着步进电动机的出现而出现，随着它的发展而发 展的，概括超来共有这样几种：单毫压驱动、高低压切换驱动、轿波恒流驱动、 1 5 广东工业大学丁举硕士学位论文 升频升压驱动和细分驱动1 2 5 】。各种驱动方式有其各自的优、缺点，现概括如表3 一l ： 表3 - 1 二相混合式步迸电动机驱动方式比较 t a b l e3 1t h ec o m p a r i s o no fd r i v i n ga p p r o a c h e so ft w o 曲a s eh y b r i ds t e p p i n g - m o t o r 淤乏 驱动原理优点不足 单电压供电，电阻调节电流响应时间长，功 单电压驱动 线路简单，成本低 大小 耗高 控制电路复杂， 两套电压供电，低速低电压， 电源功耗低，矩频特性得 高低压切换驱动成本高，低频振 高速高电殛 数改善 动 电压同脉冲频率线性变化，矩频特 生改善，低频运行易受供电电源 斩波僵流驱动 低频低压，高频高压性能提高影响，通用性差 脉宽调制改变输入电压，低高频响应好，输出转矩均 弁频舞骶驱动线路较复杂 频低压，高频高压匀，共振消除 输入脉冲切换对，绕组电流高频响应好，矩频特性改 细分驱动不全部通入或切除，只改变 善，共振消除，可实现很线路较复杂 绕组中额定电流麓一部分小步距角 3 2 1 二相混合式步进电动机的升频升压驱动 升频舞压驱动方式是2 0 世纪8 0 年代对步进电动枫驱动方式研究的重要成 果。这种驱动方式采用脉宽调制改变驱动器功率电路的入端电压值，使电动机绕 组电压在低频时较低，在高频时较高，采用不同的频率一电压控制关系得到不同 的力矩特性。这种方法在步进电动机的低速阻尼和高速运行的矛盾要求之间做出 折中，采用这种方式可以使步进电动机在整个步进频域内具有较好的性能。它被 公认为是目前步进电动机开环运行控制中最为有效的方法f 引。 升频升压电路原理框图如图3 - 2 所示 1 6 第三章二相混合式步进电动机的驱动系统 图3 - 2 升频升压驱动原理图 f i g u r e3 - 2f r e q u e n c ya n dv o l t a g es t e p u pd r i v i n gp r i n c i p l ec h a r t 这种驱动器使褥加到电动机绕组的电压随着c p ( c o n t r o lp u l s e ) 脉冲的频率而成 线性变化，如图3 3 所示，u 晌为最低响应电压，厶为全导通频率。在电动机工 作频率较低时，绕组供电电压也较低，使绕组导通电流的前沿上升平缓；而工作 在高频率时，绕组得到的供电电压里线性升高，使电路前沿不断增加。这个调整 器是处于开关工作状态，开关的频率由锯齿波发生器的周期决定。c p 脉冲对驱动 级的作用除与其他驱动线路相同外，还被送入积分器进行积分，形成与c p 脉冲频 率成正比的直流电平送入比较器，这个电平与锯齿波发生器发出的锯齿波进行比 较，形成控制电压调整器的轿波脉冲，如图3 4 。斩波脉冲的频率与锯齿波发生 器的频率相同，而脉冲宽度与c p 脉冲宽度成正比。当c p 脉冲频率较低时，比较 器输出较窄的斩波脉冲，电压调整器开通时闻较短，经滤波网络平滑詹送给驱动 器较低的电压。当c p 脉冲频率较高时，比较器输出较宽的斩波脉冲，调整器开通 时间较长，经平滑后送给驱动器较高的电压i 。 图3 3 调整器输出与频率的关系 f i g u r e3 - 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na d j u s t m e n to u t p u ta n dt h ef r e q u e n c y 1 7 u o 毽 o u x 出 脚u 0 u o 糕 o l ； 卅j 一 4 ：勾矧：勰媚；翻：锯齿望 z j j z i i f门门几门r 门 低频萎 l i f厂r 厂 r 厂 厂高础 脉冲周期缮 输出输出 比较输出 较嚣输出 较器输出 输出 图3 4 升频升压驱动中各环节的波形 f i g u r e3 - 4t h eo u t p u tw a v e f o r mo ff f e q u e n e ya n dv o l t a g es t e p u pd r i v e 如图3 5 所示为基于b u c k 电路调压的升频升聪驱动电路原理框图f l l t 2 9 l 。b u c k 电路为一个电压变换器，输出电压低于输入电压d 棚。图中r s 为输入电压，。为 控制脉冲频率，l ，c 分别为b u c k 电路电感和电容。主电路在此略去不画。b u c k 降压电路实现直流母线电压的调节，由l m 2 9 1 7 和t l 4 9 4 构成的暑频升压控铡电路 输出p w m 驱动信号控制b u c k 电路的降压变换。l m 2 9 1 7 是频压转换芯片，能够将 输入的控制脉冲序列厶转换为与其频率藏正比例的电压信号。该电压信号经p v t t d 控制芯片t l 4 9 4 得到相应的p w l d 信号，p w m 信号的脉冲宽度与l m 2 9 1 7 输出的幅值 成线性关系，帮与厶的频率具有对应关系。这一关系逶常称为升频升压盐线。 第三章二相混合式步进电动机的驱动系统 图3 - 5 升频升压驱动电路原理框图 f i g u r e3 - 5t h es c h e m a t i cc h a r tf o rf r e q u e n c ya n dv o l t a g es t e p u pd r i v i n gc i r c u i t 步进电动机处于定位状态时，为获得定位力矩需要保持一定幅值的定位电 流。而此时乞的频率为零，对应的l m 2 9 1 7 输出电压信号和t l 4 9 4 输出p w m 信号 的脉冲宽度为零，显然这是不合适的；为获得定位力矩，当厶频率为零时，希望 t l 4 9 4 输出p w m 信号的脉冲宽度为适当的非零最小值。图中所示电路中l m 2 9 1 7 外 接v r 2 、r 1 即实现此功能，为l m 2 9 1 7 输出电压信号提供直流偏置，使l m 2 9 1 7 输 出电压信号在输入信号频率为零时具有一定的电压值。该电压值由v r 2 、r 1 和r 1 的外接电压吃决定。调节v r 2 分压比可以获得不同的直流偏置电压值【2 9 4 1 1 。 3 2 2 二相混合式步进电动机的细分驱动 细分驱动技术的研究开始于2 0 世纪7 0 年代，采用电流波形控制技术，即使 相数少的电动机，也可以实现高分辩率，在必要时可以提高，达到接近连续运行 控制器状态，称其为“类伺服特性1 2 引。 德国柏格拉( b e r g e rl a h r ) 公司作为细分驱动技术应用的先驱，原来生产五 相混合式步进电动机，1 9 9 4 年推出新型三相混合式步进电动机系列，采用定子6 1 9 厂累工业大学：【掌硕士学位论文 极，转子5 0 齿的结构，配以微步驱动电路，兼有三相、五相步进电动机的分辨率， 还可在此基础上提高l o 倍。可以看出，这是一个很好的设计方案。它充分运用了 电流波形控制技术，该设计成力细分驱动技术的典型代表。 为使步进电动机有篼小的步距角，更高的分辨率，或减小电动机振动、噪声 等，在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，藤是只改变相应 绕组中额定的一部分，则电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转予的每 步运行也只有步距焦的一部分。这里，绕组电流不是方波，焉是阶梯波，额定电 流是台阶式的通入或切除，电流分成多少个台阶，则转子就以通样的次数转过一 个步距角，这种将个步距角细分成若予步的驱动方法，