（电机与电器专业论文）多细分二相混合式步进电机驱动器的研制.pdf

a b s t m c t t h et l l e s i s 强a l y s c st l l ew o r k 砸n c i p l e 孤do p e r a t i n gd m m c t e r i s t i c so f 蛳d s t 印p 盯m o t o r a p p l y i n gs i m p l em a g n e d cn e t w o r l 【m o d e l ，t l l et l l e s i sd e d u c c ss c v 盯a l 删i o 邶t o e s t a ：b h s hm a t l l 锄a t i c sn l o d e lo ft 、阳p h 嬲eh y b f i ds t 印p 盱m o t o f ，柚d a l s 0 蚰帕i e sv a r i 龉d r i 、，i n gt e c h n o l o 西韶o fs t c p l p e rm o t o ri i ld “1 0 nt h e 锄p h 船i s ， 也et h e s i s 觚a l y s 嚣t h et e c h i l o l o g yo fs i i l ep u l s ew i d mm o d u l a t i o nm b ( 1 i v i d e d “v i n g t h es 恤1 c t l l r e ，h a r d w a 锄ds o f t 、a o fl l l es y s t 锄a r es t t l d i e d t h e ya l lc o m e 仇l e ht l l e d ，p e r f o m 锄c et c s t so f f h ed r i v i n gs y s t e ma f c 百v e no u ta tl e n g l l l s t 印p 盯m o t o rc a 触0 tw o 出w i t l l o u ts t e p p 盯m o t o rd r i v e r i t sp 嘶m l a n c ei s d o s er d 砷e dt ot 1 1 ed f i v 盯 t r a d i t i o n a l i y ，am o t o rd r i v e fi st 0p r o v j d em er a t e d c l l r r e n tt ot l l em o t o rw i i l d i n g si nt l l es h o r t e s tp o s s i b l e 劬e ，h e l p i n gt om a i n t a i l l1 l i g h s p e e dt o r q e a sar e 跚l t ，m o t o r sv i b r a t i o n 柚dn o i s ei sg r a t 盯a tl o ws p e e d s dt l l e s t e p 觚四e i s g r a t c rt o o ho r d 盯t oi n l p r o v et h e 棚舢l i i l gc h a r a c t e r i s t i c s ， i n u m m i c r o s t 印p i n g 觚v 盱f b r 锕o p h 硒eh 蛳ds t 印p 叮m o t o rh 鹊b e e nd e v e i o p e d ， w h i c hi sb a s e d t l l e 砌i p 唧u t 盯n 仃0 1 1 i i l g 1 1 1 e “v 盯w h i c ht a k m e s t a t i ca i l dd y n a m i cc h 删e 6 s 缸鼯o f t w o p h 勰eh y b r i ds t e p l p 盯m o t o f 觞t l l e 蛐m i i l g p o i n tc o n s i s 招o fd i g i t a lc 0 i l 缸o lp a r t ，g a ll o 百ci n t e 鲥e dl l l 】吐s g 3 5 2 5c o n s 协m c m 瑚tc o m m lc i 剃i t ，d r i “n gd r c u i t ，o v e rc u i t e n tp r o t e c t i n g 勰df b e d b a c kc i r 叫t ， a n dt l l ep o w e rs u p p l yb l o c k t h ed r i v i n gs y s t e mu s i i l gs p e c i a li m 则e dc b i p 觚d p r o g r a m m a b l el o 西cd 鲥c et a l 【船8 - b i ts i n g l ec b j pa t 8 9 c 5 l 硒m ec o n 仃o lc o r e 锄d h 嬲t 量】e 矗m c t i o n so fc o n s t a z l ta i r r 衄tc o n 缸o l ，向押旧r d r e v e r s ew o r k 缸舀o v 珂删1 t 锄t p r o t e c t i o n 狮d 舢1 t i l e v e l 劬d i 、，i d e d 蹦v i l l g t h e “v e rh 船h i 曲p 晌m 锄c e p r i c e 训。觚di sv 瑚yu i l i v e r s a l t h ed r i v c rh 豁b e e nc o m p l e t e d 孤dt e s t e d ，也et e s tr 刚t sa p f e s e n t e di nt h e t h e s i s ，粕dt h et e s t c dw a v ef b 肋s 缸e 锄a l y z e d e x p e r j 曲e n t si n d i c a t et h a tm e d e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sr e 嬲o n d b l ea n df e a s i b l e ，孤ds u c c 髓s f m l ym e c t s t h ed 铝i g nn c e d s t h e “v 盯w o f k i i 培t o g e t l l 盯1 ) l ，i m 蜥ds t e p p 盯m o t o rc a n i m p r o v et h en l n n i n gc h 艄l c 嘶s t i 柚d 、】l ，i d 饥t h ea p p l i 础o n 缸e l d so f t l l em o t o r k e ，rw o r d 8 ：h y b r i ds t e p p e rm o t o r ，s p w m ，s u b d i v i d e d 如v i n 吕咖班ec b j p i n i c r o c o n m u t e f 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位 期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学 校可以将本学位论文的全部或部分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和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业 后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 指导教师签名：主蛸墨家 御7 年了月万日j 卯7 年? 月玎日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学 位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除 文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其它 用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 瑚7 年；月万日 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 步进电机概述 步进电机属于实用的典型的机电一体化元件组件。它是一种将电脉冲信号 转化为角位移或直线位移的执行机构。又可称脉冲电机或阶跃电机，国外常称 为s t 印m o t o r 、s t 印p i l 培m o t o r 、s t e p p 盯等等。步进电机问世以后，很快确定了 自己的应用领域，应用发展已有约3 0 年的历史，至今还没有发现更适合的取代 它的产品【”。 步进电机有旋转式和直线式两种，这两种又分别都有反应式( v 撕a b l e r e l u c t 锄c e ，简称l ) 、永磁式( p 锄锄e n tm a g n c t ，简称p m ) 和混合式( h y b r i d ， 简称h b ) 三种结构类型。反应式步进电动机定转子材料均由软磁材料制成， 定子上有多相绕组，定子磁极和转子上有小齿，定、转子铁心可做成单段式和 多段式。齿距角可以很小，启动和运行频率较高。电动机的内阻尼较小，断电 时无定位转矩，需要带电定位，消耗功率大。永磁式步进电机，定子上有多相 绕组，但定子磁极上不开齿。转子用永久磁钢制成，转子极数与定子每相的极 数相同，步距角较大，启动和运行频率较低，相数为偶数较多( 二相和四相) 。 断电时有定位转矩，控制功率小。混合式步进电机结构复杂，在后续章节将做 详细介绍。总之，将步进电机的优缺点总结如下： 1 ) 在不失步的前提下步进电机的角位移与输入脉冲数严格的成正比，因此不 存在累计误差，具有良好的跟随性； 2 ) 步进电机的动态响应快、易于启停、正反转及变速； 3 ) 可用数字信号直接进行开环控制，容易构成简单廉价但可靠的数字控制系 统。同时，在要求高时它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统； 4 ) 停止时具有一定的自锁能力； 5 ) 步距角选择范围大，可在几十角分至1 8 0 度大范围内选择。速度可在相当 宽范围内平滑调节； 6 ) 无刷，电动机本体部件少，可靠性高； 乃一般可以不用减速器而直接驱动负载； 8 ) 带惯性负载的能力较差； 9 ) 由于步进电机存在振荡和失步现象，因此必须对控制系统和机械负载采取 相应的措施； l o ) 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用普通的交直流 电源驱动。 西北工业大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 步进电机驱动技术概述“羽 步进电机驱动技术的发展十分迅速。在我国步进电机的应用起步较早，但驱 动技术的发展相对滞后，成为制约步进电机应用与发展的主要因素。最早应用的 单电压串电阻等驱动方式，驱动电路中分立元件多，可靠性差，各厂家的技术规 范和生产工艺等难以达到统一的标准，已逐渐淘汰。 近代步进电机的驱动技术的主流是“电流型”，常规的控制技术仅对绕组的 电流进行通断控制，在转子齿数一定的条件下，增加相数才能提高电动机的分辨 率。运用电流波形控制技术可方便地实现步进电动机微步驱动。步进电动机的微 步驱动技术，从2 0 世纪7 0 年代开始研究，逐步发展到9 0 年代完全成熟。我国对微 步驱动技术的研究，起步时间与国外相差无几。微步驱动技术的广泛应用，使得 电动机的相数不受步距角的限制，为产品设计带来方便。 目前在步进电机的驱动技术上，采用斩波恒流控制、正弦脉宽调制和细分技 术以及最佳升降频控制，大大提高步进电机运行快速性和运转精度，使步进电机 在中、小功率应用领域向高速且精密化的方向发展。在驱动电路中，目前较普遍 采用的功率开关管是功率场效应管( m 0 s f e t ) ，与早先采用的大功率晶体管 ( g t r ) 相比有很多优点。性能更加优越的绝缘栅极晶体管( i g b t ) 也己应用 于高速型及较大功率的步进电机驱动电路中。而把i g b t 驱动电路及保护电路都 集成在一起的智能i g b t 模块，具有结构简单、性能稳定及运行可靠等优点，目 前已开始应用于中、小功率的步进电机的驱动。 1 3 国内外研究概况及发展趋势o 3 _ 司 我国对步进电动机的研究从1 9 5 8 年开始，步进电动机在工业上应用并获得 发展始于1 9 7 0 年前后，1 9 8 0 年以后，永磁步进电动机因低成本爪极结构，广泛 应用于对性能要求不高和体积限制不大的场合，而混合式步进电动机成为办公自 动化和工业自动化应用场合的主流，迅速发展形成规模生产，变磁阻型就大部分 被混合型取而代之。发展到此时我国混合式步进电动机的技术，包括电机本体和 驱动技术在内，都与国外产业的水平接近。混合式步进电动机是在永磁感应子式 低速同步电动机的基础上发展起来的。二相混合式步进电机是上世纪6 0 年代的 美国专利，7 0 年代初因应用于计算机外设，且专利保护的取消而迅速发展。二 相( 四相) 电动机典型结构是定子八个极，转子齿数z 为5 0 ，整步方式工作时 步距角见= 1 8 。7 0 年代中期提出的五相混合式步进电动机，与二相电动机相 比，结构上没有太大的区别，主要是增加了相数，定子一般为1 0 个极，最典型的 转子齿数仍为z ，为5 0 。早期的混合式步进电机，在材料上应用较多的是铝镍钻 永磁体，后来发展到新的永磁材料，主要是钕铁硼( n d f e b ) 材料的应用，简化 2 西北工业大学硕士学位论文第l 章绪论 了转子的结构。 功率或机座号相对较大的步进电动机，在工业控制系统中的应用日前正受 到交流伺服电动机的威胁，有被取代的趋势。这主要因为步进电动机存在一些 弱点如存在明显的振荡区、带惯量和过载能力小、快速性不足和效率低等。 混合式步进电机的特点是力矩大、运行平稳、高频矩频特性好，在发达国 家中，越来越广泛的使用性能优越的五相和三相混合式步进电机。 对混合式步进电动机的控制绕组要求双极性供电。在混合式步进电动机发展 的初期，电子技术发展水平有限，为了简化驱动电路，将电机绕组采取双线并绕， 一相绕组分成二相，其中之一正向通电，另一则反向通电，这样可单极性供电而 达到正、反向励磁的目的。这种二相四绕组电动机有时也叫做四相电动机。最简 单的四相单极性驱动电路，只要用四只功率开关管，结构简单，成本低，但是绕 组空间利用率不高，在同一时间只有一半绕组通电起作用。随着电子技术的发展， 电子元器件价格的降低，双极性驱动电路较容易实现，成本亦增加较少。因此在 多数情况下采用双极性驱动，电动机只要做成四个引出端就可以了。 对步进电机及其控制驱动系统的研究表明，步进电机易于实现数字控制和微 机控制，并且进行开环控制就能实现精确的转速控制或定位控制。现代步进电动 机控制技术已发展到闭环控制方式，构成闭环失步检测系统等。但是在这个研究 方向上，技术上一直没有太大的突破，也还不成熟，还没有得到很广泛的应用。 这将是以后步进电机控制的发展趋势。而对于电机本体来讲，它的发展将依赖于 新材料的应用和驱动技术的最佳配合。 1 4 本课题的研究意义和目的 1 4 1 课题的研究意义 步进电机作为数字式执行元件，具有成本低、易控制、定位方便和步距误 差不长期累计等优点，被广泛应用在数控装置、绘图机、机械手、印刷和包装 设备等工业、军事和医疗自动化领域中。在多种步进电机中，混合式步进电动 机集反应式和永磁式步进电机的优点于一身，应用更加普遍。但是步进电机在 应用中存在一些制约性的因素，步进电机及其系统表现出诸如低速平稳性差、 高速快速响应能力差、效率低和能耗大等。步进电机多应用于开环控制的场合， 对转子位置不做检测，较容易在运行过程中产生失步。失步和振荡是较为严重 的两个问题。另外，步进电机不能简单的直接接到普通的交直流电源上运转， 它需要专门的驱动器，步进电动机和与之配套的驱动器密不可分，在电机本体 选定的情况下，驱动器的好坏很大程度上影响着整个系统的运行性能。通过研 制高性能的步进电机驱动器可以大大改善步进电机的运行性能。这对提高我国 西北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 在这方面的科学技术水平起到了一定的促进作用，拓宽了步进电机的应用领域。 因此，研究开发出高性能的步进电机驱动器有着重大的现实意义。 1 4 2 课题的研究目的 本课题的研究最终要达到的目标是实物上要做出一套完整的二相混合式步 进电机的驱动器，性能基本满足要求。理论上对混合式步进电动机的工作原理、 工作特性，及其控制规律、控制策略有更深层次的理解和认识，掌握基于单片 机的驱动控制系统的硬件、软件综合设计技术。 系统要达到的基本技术指标如下： 额定电压：1 2 v 5 0 v ； 额定电流：5 a 以下； 运行方式：长期； 转矩输出：在一定频率范围内恒定； 细分档位：多细分档位( 最高设定2 5 6 细分) 。 1 5 本课题的主要研究内容 本课题以二相混合式步进电机为控制和驱动对象，采用微步驱动和恒流斩 波等先进技术，基于单片机开发研制高性能的多细分的步进电机驱动器。目的 是使混合式步进电机的低频性能和高频性能能同时得到相应的改善。 主要研究内容有： 电机工作原理和多种控制方法； 二相混合式步进电机的数学模型的建立； 二相混合式步进电机斩波恒流驱动技术，保证电机合成磁场幅值恒定， 实现电机恒转矩控制； 采用两片集成芯片s g 3 5 2 5 对电机两相绕组的电流进行闭环调节； 二相混合式步进电机绕组的过流保护问题。 主要完成的工作有： 系统总体方案设计 阅读并比较文献资料中已有的控制方案，反复实验论证，结合实际，确定 出系统总体方案。 系统硬件电路的设计与制作 在硬件设计方面，完成系统硬件电路的设计，包括元器件的比较和选择、 系统电路原理图的设计、制作电路板和硬件调试。 系统数字控制部分软件的设计与实现 按照系统技术指标的要求，对系统进行合理的分析与规划，确定软件流程、 4 西北工业大学硕十中俯沦文第1 章绪论 系统软件整体结构设计、系统各部分功能的软件实现、组成完整程序进行调试。 在系统硬件及软件设计及调试工作完成后，按照系统性能指标要求，对 系统功能进行测试，以验证系统是否达到要求的性能指标。 本课题的技术难点有： 对于微步驱动技术来讲，如何选择合适的细分电流波形是一个难点； 对于斩波恒流驱动技术而言，保证电机合成磁场幅值恒定，实现电机恒 转矩控制也是一个难点； 整个系统的执干扰能力，应尽可能改善整个系统的电磁兼容问题； 在系统基本实现功能的前提下在软件中运用软件滤波技术以进一步改善 电机绕组的电流波形。 西北工业大学硕士学位论文第2 章混合式步进电机工作原理和特性分析 第2 章混合式步进电机工作原理和特性分析 本章介绍了混合式步进电机的结构和工作原理。分析了步进电机的静、动 态运行特性。另外还推导了二相混合式步进电机的矩角特性、电压方程和转矩 方程并由此建立了二相混合式步进电机的数学模型。本章为后续章节奠定了理 论基础。 2 1 混合式步进电机的结构组成特点 混合式步进电机是一种十分流行的步进电机。混合式步进电动机具有完全 对称的结构，对提高它的整体性能很重要【l j 。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；性能上，既具有反应式步进电机的高分辨率，每转步数比较多的特 点，又具有永磁式步进电机的高效率，绕组电感比较小的特点，故称混合式。 混合式步进电机也称为永磁感应子式步进电动机，既可用作同步电动机进行速 度控制，也可用作步进电机进行位置开环控制【6 7 1 。 混合式步进电机的轴视图和截面图如图2 1 所示，它主要由定子和转子两 部分组成。定子被分成若干个磁极，每个磁极上绕有励磁线圈，磁极末端有均 匀的小齿。极上线圈能以两个方向通电，对于二相混合式步进电机就形成4 相 和彳相，占相和b 相。转子由两段铁心及环形永久磁钢组成，两段铁心装在环 形永久磁钢的两端，并且每段铁心的圆周上都均匀分布有一定数量的小齿，两 段铁心上的小齿相互错开半个齿距，且小齿的齿距与定子上小齿的齿距相同【8 】。 环形永久磁钢轴向充磁，使得同一段铁心上的小齿都具有相同极性，而两块不 同段铁心上的齿的极性相反。 图2 一l 混合式步进电机的轴视图和截面图 6 西北工业大学硕士学位论文第2 章混合式步进电机工作原理和特性分析 2 2 混合式步进电机的工作原理 不同相数的混合式步进电动机如二相、三相、五相、九相和十五相等，它 们的工作原理都基本相同。混合式步进电动机作用在气隙上的磁动势有两个， 一个是由永久磁钢产生的磁动势，另一个是由控制绕组电流产生的磁动势。这 两个磁动势有时是相加的，有时是相减的，视控制绕组中电流方向而赳9 】。 如图2 1 所示的是一台四相混合式步进电动机的结构示意图。定子是四相 八极，每个定子磁极上有5 个小齿，转子上有5 0 个小齿。从电动机的某一端看， 当定子的一个极上的小齿与转子的小齿轴线重合时，相邻极上定转子的齿就错 开1 4 齿距。在图2 1 中从i 端看，磁极“l ”和“5 ”下定转子齿轴线重合，“2 ” 极下错开1 4 齿距，“3 ”极和“7 ”极下则定子齿与转子槽的轴线相重合。定子 为四相绕组，驱动器供给同极性脉冲。这种情况与驱动器供给正负脉冲而采用 两相绕组是完全相同的。当转子上没有磁钢或定子绕组不通电时，电动机基本 不产生转矩，只有在转子磁钢与定子磁势相互作用下，才产生电磁转矩。当各 相控制绕组中没有电流通过时，气隙中的磁动势仅由永久磁钢的磁动势决定。 如果电机的结构完全对称，各个定子磁极下的气隙磁动势将完全相等，电动机 无电磁转矩。因为永磁磁路是轴向的，在它的磁路上，总的磁导与转子位置无 关。 四相( 二相) 混合式步进电动机可以在不同的通电方式下运行。下面有一 节内容将详细介绍它的通电方式。当一相通电，例如当a 相绕组通电时，转子 的稳定平衡位置如图2 2 所示。定子的半数极上有作用磁势，即“1 ”一“3 ” 一“5 ”一“7 ”极，它们的极性为n s n s 。如图2 一l 所示的电动机，每 相邻两个定子磁极之间所夹的齿距数为5 0 8 = 6 + 1 ，4 。若使转子偏离这一位置， 如转子向右偏离了一个角度，则定转子齿的相对位置及作用转矩的方向如图2 - 3 所示。可以看出，在不同端不同极的作用转矩都是同方向的，都是使转子回到 稳定平衡位置的方向。由此可见，二相混合式步进电动机的稳定平衡位置是： 定转子异极性的极面下磁导最大，而同极性的极面下磁导最小的位置。 当定子各相绕组按a b c d a 的顺序通电，每改变一次通电状态， 转子沿a b c d 方向转过l 4 齿距，即3 6 o 。4 ) 2 1 8 。当定子绕组按双四拍和 八拍方式通电时，每改变一次通电状态，转子分别转过1 8 0 和o 9 0 。每改变一 次通电状态，转子转过一个步距角，当通电状态的改变完成一个循环时，转子 转过一个齿距。 7 西北工业大学硕士学位论文 第2 章混合式步进电机工作原理和特性分析 解飞旷、旷飞旷飞旷 籽l 岬阳且 图2 2a 相通电时的转子稳定平衡位置 肝vvv 转子 札协协= 钆 2 3 混合式步进电机的绕组通电方式 在步进电机中，每输入一个脉冲电信号，定子绕组改变一次通电状态，转 子运行一拍转过一个步距角。输入一系列连续不断的脉冲，电机就可以连续不 断地转动。当转子齿数一定时，转子运行速度与输入脉冲频率成正比，位移与 输入脉冲信号数相对应。 单四拍通电方式 每拍只有一相绕组通电，四拍构成一个循环，两相控制绕组按a b j 一 丑一a 的次序轮流通电。每拍转子转动1 4 转子齿距，每转的步数4 z r 。若转子 齿数为5 0 ，每转为2 0 0 步，步距角只为1 8 0 。 双四拍通电方式 每拍有两相绕组同时通电，两相控制绕组按a b b = i j 否一否a a b 的次序轮流通电。若转子齿数也为5 0 ，则每转也是2 0 0 步，步距角幺为1 8 。和 单四拍相同，但二者的空间定位不重合。 单、双八拍通电方式 前面两种通电方式的循环拍数都等于四，称为整步通电方式。若通电循环 拍数为八，称为半步通电方式，即按a a b b b = i 一= i j 否一否一面a a 的次序轮流通电，每拍转子转动1 8 转子齿距。若乙= 5 0 ，则每转为4 0 0 步， 步距角为o 9 。 细分通电方式 这种通电方式就是调整两相绕组中电流分配的比例和方向，使相应的合成 转矩在空间可处于任意位置上，则循环拍数可为任意值【l o 】。实质上就是把步距 角减小。在后续章节将详细介绍。 西北工业大学硕士学位论文第2 章混合式步进电机工作原理和特性分析 2 4 步进电机的运行特性 2 。4 。1 静态运行特性 静态运行指的是步进电机定予绕组中通以直流电流并不改变绕组的通电方 式的运行状态。在静态状况下，步进电动机的转子在无外力作用时处于稳定的 初始平衡位置。初始平衡位置取决于电机的类型与绕组的具体通电形式【lo j 。初 始平衡位置总与通电绕组的空间排列或电流所建立的磁场轴线有关。如果转子 在外力作用下偏离平衡位置，其转角称为失调角。步进电机静态运行时转子受 到的转矩t 称作静转矩。不同的失调角下转子所受到的静转矩不相同，两者之 间的关系称为步迸电动机的静态矩角特性。 在步进电机某一相控制绕组通电时，如果该相磁极下的定子齿与异极性的 转子齿对齐，那么失调角b = 0 ，静转矩1 铷，如图2 - 4 ( a ) 所示；如果定子齿 与异极性转子齿未对齐，即o e 万，出现切向磁力，其作用是使转子齿与定子 齿尽量对齐，即使失调角0 减小，故为负值，如图2 - 4 ( b ) 所示闭。如果为空 载，那么转矩作用的结果是使异极性转子齿与定予齿完全对齐，如果某相控制 绕组通电时转子齿与定子齿刚好错开。即o = ，转子齿左右两个方向所受的磁 力相等，步进电机所产生的转矩为o ，如图2 - 4 ( c ) 。 舶 ( a ) ( b ) 图2 - 4 定子和转子齿的位置关系 步进电机的静转矩t 随失调角0 呈周期性变化，变化的周期为转子的齿距， 也就是2 万电角度。混合式步进电机的矩角特性近似为正弦曲线如图2 5 所示p j 。 如果步进电机为空载，那么转子在失调角o = o 处稳定，即在通电相定子齿与异 极性转子齿对齐的位置稳定。在静态运行情况下，如有外力使转予齿偏离定子 齿o 0 万，则在外力消除后，转子在静转矩的作用下仍能回到原来的稳定平衡 位置。当肛万时，转子齿左右两边所受的磁力相等而相互抵消，静转矩1 卸， 但只要转子向左或向右稍有一点偏离，转子所受的左右两个方向的磁力不再相 等而失去平衡，故0 = 万是不稳定平衡点。在两个不稳定平衡点之间的区域构 成静稳定区，即一丌 e 万，如图2 5 所示。矩角特性上静转矩的最大值1 k 称 为最大静转矩。 9 安 丑 t e 西北工业大学硕士学位论文第2 章混合式步进电机工作原理和特性分析 t 。 爪 稳定平衡点 l 町【 o 升i r 静稳定区 1 2 4 2 动态运行特性 图2 5 步进电机的矩角特性 步迸电机的动态运行状态包括步进运行状态和连续运转状态。 一、步进运行特性i l 哪 当步进电动机在低频率脉冲作用下时，转子每脉冲转过一个步距角。在前 后两个脉冲之间，有足够的时间间隔使转子静止，电机处于步进运行状态。 在这种运行状态下，步进电动机的工作情况主要受电机的负载状况、静态 矩角特性中的驱动力矩值两个因素的影响。见图2 6 。如果电机处于空载状态， 定子绕组a 通电时，转予的稳定平衡位置位于d 。点。当脉冲分配至b 相绕组 时，矩角特性由特性a 转换为特性b ，对应d 。点的转矩大于零，电机沿矩角特 性b 运行到0 。点停止。脉冲再分配至c 相时，转子以相同的方式由o 。到0 。停 止，每拍转过一个步距角只。当步进电机带一定的负载时，只要负载不超过一 定限度，转子可维持步进动作。例如：a 通电时，电机稳定于矩角特性上的吼点。 脉冲分配至b 相绕组时，新矩角特性下对应该位置的魏点转矩大于负载转矩 t l l ，电机工作点变化的过程为：q 一6 l 一6 l 。在电机工作点的变化过程中，转 子所受到的电磁转矩值也在变化，它与负载转矩的差值如图中阴影部分所示。 在变化的电磁转矩作用下，转子到达新的工作位置6 l 后还将继续惯性旋转。超 过岛后，转子将受到阻尼作用并反向旋转趋于6 l 点。随后的过程将是转子以减 幅振荡的形式围绕6 l 点进行，直到最后稳定在新的平衡位置( 6 1 ) 。转子振荡 的频率称为步进电动机的固有振荡频率，阻尼大、步矩角小的情况下，振荡衰 减速度快，振幅比较小。 如果步进电动机带的负载较重，例如，在矩角特性a 上的口：点，当脉冲切 换到b 相时，对应6 ，点的电磁转矩小于吼点转矩，步进电动机将无法拖动负载 作步进运动。电机单步运行状态所能驱动的负载转矩不能超过矩角特性a 、b 交点所对应的转矩，该转矩称为最大负载转矩。最大负载转矩随步距角的增大 而减小，反之，则越大，但总是低于最大静转矩t 蛐。 1 0 西北工业大学硕士学位论文第2 章混合式步进电机工作原理和特性分析 图2 - 6 步进电机步进运行 二、连续运转特性【l o 】 在脉冲频率较高时，电机转子未停止而下一个脉冲已经到来，步进电机已 经不是一步一步的转动，而是呈连续运转状态。步进电机在带负载情况下启动 时，不但要克服负载转矩，还要克服惯性转矩。如果输入的脉冲频率过高，在 下一个脉冲到来时，失调角还未进入动态稳定区，电机就不能起步。当电机起 动以后，惯性转矩的影响减少，电机就能以比起动频率高的脉冲频率连续运转。 步进电机相数越多或拍数越多，步距角越小，进入稳定区域越容易，起动频率 就越高。 随着脉冲频率的增加，绕组的电感作用及转子的振荡对电机工作有很大影 响。首先，绕组电感作用使定子电流的平均值下降，加上涡流损耗及定予绕组 中的附加感应电势，它们都使得电磁转矩下降，也使电机的输出转矩下降，电 机的带载能力随之下降。连续运行状态下的矩频特性是一条下降曲线，起点为 步进运行状态下的最大允许负载转矩t s 。连续运行时的矩频特性曲线见图2 - 7 。 其次，转子的固有振荡使得频率增加时电机的运行稳定性受到影响。如果脉冲 频率接近于振荡频率的1 a 或a 倍时( a 取正整数) ，将可能会引发共振。共 振严重时，可使电机失步而无法正常工作，需要采取措施来抑制共振。当脉冲 频率超出共振频率条件时，电机可在一定的转速下较稳定地工作，转速随脉冲 频率的增加而增加。如果继续提高脉冲频率，超出极限状态后，电机将会因为 负载和自身机械惯性而无法与矩频特性的快速切换保持协调，最终会逐渐超出 动稳定区而无法继续工作。步进电机的几种连续运行状态示意图见图2 8 。 西北工业大学硕士学位论文 第2 章混合式步进电机工作原理和特性分析 图2 7 连续运行矩频特性 图2 - 8 步进电机的几种连续运行状态 l 一步进状态2 一振荡3 一稳定运行状态4 一极限同步状态 2 5 混合式步进电机的数学模型 在这节中对二相八极混合式步进电机做这样的简化，即采用简化的磁网络 模型，忽略定子极间的漏磁回路、永磁体的漏磁回路、轴向和径向的磁刚l l l 。 步进电机两相励磁的示意图见图2 9 。 西北工业大学硕士学位论文 第2 章混合式步进电机工作原理和特性分析 图2 - 9 步进电机两相励磁示意图 取定子4 ，极上小齿的中心线为转子位置角的参考坐标，以转子齿中心线与 参考坐标的夹角表示转子的角位置o ，当吼极下定转子齿对齿时0 = 0 。这样有 式2 1 ，电动机的永磁体的自感为( 不计周期性磁导的二次及以上的各次谐波分 量1 ： 其中， 工。= 2 后。 r 肿2 a o k 2 丧 式中， 0 与永磁体等效的励磁绕组的匝数 a 。段铁心上某一相两个极齿层磁导的平均分量 电机绕组的自感和互感表示如下： l “= 厶一三2c o s 2 口 k = 厶+ 如c o s 2 口 m = m “= 易s i n 2 口 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 西北工业大学硕士学位论文第2 章混合式步进电机工作原理和特性分析 式中，厶电机绕组自感的平均分量 如电机绕组自感的基波分量 厶= 2 ( 4 a 。一2 k s a - ) ( 2 6 ) 厶= 。+ a 。2 2 a 。 式中，n 一定子绕组匝数 定转子互感为 m 矿2 i 。以人lc o s 日 m 自= 2 k 乙m i s i i l 口 令肘，= 2 吒 乙 r a l ，则有 m 矿m ，s 8 m h = m 。虹e ( 2 7 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 在以上电机电感的理论分析结果的基础上推导出建立二相混合式步进电机 数学模型的几个重要的关系式。 二相混合式步进电动机的电磁转矩由两部分组成：定子绕组磁动势b 建立 的反应转矩五和永磁铁磁动势f 。与定子电流共同建立的永磁转矩r ，。对于反 应转矩五，当一相绕组通电时，它在电机中输入的磁能为 形：三廿2 2 式中，工电机相绕组电感 ，通入绕组中的电流 1 4 ( 2 一1 2 ) 西北工业大学硕士学位论文第2 章混合式步进电机工作原理和特性分析 当两相绕组都有电流时，由于存在绕组间互感所以总的感应磁能为 = 伊匕申。 式中，p 电机转子齿数 工“、工、m 加电机相绕组自感和互感 于是相应地反应转矩瓦为 乃= 鲁= 啦中等+ 争。2 等啪刳 这里把永磁体等效为用转子电流，。励磁建立的磁场，则有 乙= 鲁= 枷警“等 式中，l 永磁体等效励磁电流 m 。、m 。4 、曰相绕组与永磁体等效励磁电流互感 由叠加原理得t = 乃+ l ，所以可推导出电机的电磁转矩为： ( 2 1 5 ) z = 杜2 等+ 三2 鲁呜刳叶。警q 刳 带入以上公式则有 t = p ks i n 2 毋也2 一2 ) 一2 f 。厶c o s 2 占j + p k m ，( _ 咖疗+ c o s 目) ( 2 - 1 7 ) 上式就是在不考虑磁导的空间谐波时二相混合式步进电机的矩角特性。 在不计定子极间和端部的漏磁、不计永磁体回路的漏磁、忽略磁滞和涡流 的影响、忽略饱和的影响时二相混合式步进电机的电压平衡方程可以表示为 乩= _ + 乩鲁一m 。鲁+ 匕一m 。一t q s i n 口 ( 2 - 1 8 ) 西北工业大学硕士学位论文第2 章混合式步进电机工作原理和特性分析 u 一小k 每一m 。瓮+ l b i m + 呱c o s e 阱 同样，可以得到电压方程为 以= 编+ 佤一厶c 0 鲁一辆脚等+ 码也s i l 幽一c o 一t q 枷( 2 - 2 0 ) = ，玩+ 瓴+ 厶c o s 2 功鲁一厶s i i 2 鎏一2 乞也s i n 2 1 9 + c o s 2 印+ 乞哆c o 毋( 2 2 1 ) 式中，【、【两相绕组的端电压 、白两相绕组内阻 戤转子的机械角度 屯反电势系数 这样二相混合式电机的转矩方程为 = ，鲁+ 曰啡+ 瓦 ( 2 2 2 ) 式中，转动惯量 曰粘滞摩擦系数 负载转矩 公式2 - 1 7 、2 2 0 、2 2 1 、2 2 2 就构成了二相混合式步进电机的数学模型。 这里有必要对电磁转矩作进一步分析。在不影响分析结果得前提下，计算 电磁转矩时将定子线圈的电感可以看作一个常量【1 2 1 ，即认为定子线圈自感的谐 波分量工：为零。这样二相混合式步进电机两相通电时的转矩可以表示为： = p o m ，( - s i n 曰+ c o s 占) ( 2 - 2 3 ) 这个结论表明二相混合式步进电机的矩角特性为正弦曲线的特性，这点是 步进电机细分控制得以实现的理论基础。 1 6 西北工业大学硕士学位论文 第3 章步进电机驱动系统 第3 章步进电机驱动系统 本章对步迸电机的驱动系统进行了总体介绍，回顾了步进电机的几种传统 的驱动方式，重点介绍了步进电机的细分驱动技术( 包括细分驱动的原理及特 点) 和正弦脉宽调制技术原理及其控制方式。 3 1 步进电机驱动系统概述 步进电动机与它的驱动器是一个不可分割的整体。从诞生之日起，电动机本 体就与驱动器一起研究、改进和发展【2 】。步进电机自身的性能需要通过一个相应 的驱动器将其驱动工作后，对其进行测试才能得知好坏。驱动器性能的优劣，会 直接影响到步进电机性能的测试结果。电机驱动器必须稳定、可靠且高效地驱动 电机旋转。另一方面，衡量驱动器性能的优劣也离不开步进电机的配合，驱动器 的性能也都体现在电机运转的性能上。因而，在步进电机系统中，驱动器和步进 电机是密不可分的。当电机和负载已经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取 决于驱动电源和控制方法。不同驱动器引发的步进电机性能上的差异，不仅体现 在输出力矩的大小及高频矩频特性上，还体现在电机反应速度、消除电机运转过 程中的振动、电机在固有共振点附近运行平稳性等多方面。先进的驱动技术及驱 动器生产工艺的运用是提高步进电机性能的一条有效的途径。随着步进电机驱动 技术的不断更新以及用户要求的不断提高，步进电机驱动器产品必定会向着更小 型化、高效率、高可靠性、低价位的方向发展【”】。 步进电机驱动系统的主要构成如图3 1 所示。它由脉冲信号发生器、环形分 配器、信号放大与处理电路、推动级和功率驱动级以及保护电路等组成。步进电 机驱动器通过外加控制脉冲，并按环形分配器决定的分配方式，控制步进电动机 各相绕组的导通或截止。信号处理是实现某些转换、合成等功能，产生斩波等特 殊功能的控制信号。推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动 级输入的较大信号。保护电路是保护驱动电路的安全。 图3 1 步进电机驱动系统的主要构成部分 对于混合式步进电机而言，工作时要求定子磁极的极性交变，通常要求绕 1 7 西北工业大学硕士学位论文第3 章步进电机驱动系统 组由双极性驱动电路驱动。对电机绕组双极性供电的典型结构是h 桥式主电路， 这种驱动电路较复杂。但是由于集成化的双极性驱动芯片的出现，使其得到广 泛应用。应用中对步进电机驱动器的要求是必须能保证步进电机绕组有足够的 电压、电流和正确的波形，同时也要保证驱动器功率放大器件安全运行，还应 有较高的效率、较小的功耗和较低的成本。 3 2 混合式步进电机传统驱动方式的电路和性能比较 步进电机传统的基本的驱动方式有单电压驱动( 分为不串电阻和串电阻) 、 高低压驱动( 分为不带电流检测和带电流检测) 、调频调压驱动和斩波恒流驱动。 下面将逐一进行介绍。 3 2 1 单电压驱动方式 所谓单电压驱动，是指在步进电机绕组工作过程中，只用一个方向电压对 绕组供电。其原理线路如图3 2 所示，三极管导通时，电源电压全部作用在电 机绕组上。流经绕组中的电流以时间常数l 瓜( l 为绕组的电感，r 为绕组的 电阻) 上升，直到达到额定电流。当电机高速运行时，流经绕组的电流还未上 升到额定电流就被关断，相应的平均电流减少而导致输出转矩下降。单电压驱 动方式的特点有：线路简单，成本低；低频时响应较好；有共振区；高频时带 载能力迅速下降【1 2 1 。它的整体性能较差，所以在实际中应用较少，但是它是最 基本最简单的驱动系统。为改善高速运行的电机转矩特性，也就是为了减小图 3 - 2 ( a ) 所示的驱动方式回路的电气时间常数，通常在电枢绕组回路中串入电 阻r ，电路如图3 2 ( b ) 所示。这样就使得回路中的电流上升速度加快，电流 振荡相比较不串电阻时也大幅度减少。不过这种驱动方式的缺点也很明显，它 损耗大，效率低，电源提供的功率大部分都消耗在串联电阻上。所以单电压驱 动方式电路一般仅适合于驱动小功率步进电机或对步进电机运行性能要求不高 的情况。 # 乒 图3 2 单电压驱动方式原理图 西北工业大学硕士学位论文 第3 章步进电机驱动系统 3 2 2 高低压驱动方式 高低压驱动的思想是，不论电动机工作频率多大，当相绕组导通时，高压 功率管和低压功率管同时导通，但在导通相的前沿加到绕组上的电压仅为高端 电压，用来提高电流的前沿上升率，而当电流上升到额定值时，高压功率管关 闭，只剩下低压功率管继续导通用额定电压供电以维持相电流。高低压驱动的 线路原理图如图3 3 所示。所使用的两种电压电源是步进电动机额定电压和比 它高几倍的电源电压。这种方式的特点是功耗较低，高频运行时电机的转矩特 性较好，启动和运行频率得到较大的提高。缺点是低频共振现象仍然存在。另 外由于电机旋转反电势、相间互感等因素的影响，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，致使电机的输出力矩有所下降。针对这种 情况发展出来带有多次电流检测的高低压驱动方式。它相当于在原来高低压驱 动电路的基础上多加了一个电流检测控制线路，可以根据绕组电流的值来控制 高压电源的通断，使高压电源在绕组通电的时间里不是一次接通，而是根据电 流值多次接通和断开，这就可使绕组电流始终维持在额定值附近，有效消除这 种电流波顶下凹的现象。高低压驱动方式常用于大功率驱动电源。 图3 3 高低压驱动方式原理图 3 2 3 调频调压驱动方式 调频调压驱动方式的电路原理图如图3 - 4 所示。这种驱动方式下，电机绕 组上的电压随着工作频率的变化而变化。即低频时用低压驱动，高频时用高压 驱动。与一般驱动电路相比，这种驱动电路增加了一套比较电路和调压电路。 调压电路输出的电压高低由比较器的输出控制，比较器的输出又由积分器的输 出与锯齿波发生器的比较结果决定。因此，当控制步进电机的频率变化时，积 1 9 西北工业大学硕士学位论文第3 章步进电机驱动系统 分器的输出和比较器的输出都跟着改变，从而达到改变调压器的目的。输入控 制脉冲频率低，绕组所加电压低，电流上升缓慢；输入控制脉冲频率高，绕组 所加电压高，电流上升较快。这样既可提高高频输出又能避免低频可能出现的 振荡。 调频调压驱动基