（微电子学与固体电子学专业论文）新型步进电机驱动电路的研制.pdf

创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：罗z ：! ：三2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文( 保密的论 文在解密后应遵守此规定) 本人签名： 导师签名：赫万琢否 日期-型z ：! ：翌 日期：丝! ：! ：望 摘要 摘要 步迸电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电元件，与其他类型电机相 比具有易于精确控制、无积累误差等优点，在众多领域应用广泛。细分驱动技术 是一种可有效改善步进电机低频特性和提高步进精度的驱动技术，是步进电机实 现步距高分辨率控制的关键技术。其基本工作原理是通过控制电机各相绕组中的 电流，使其按照一定的规律上升或下降，相应的合成磁场也将出现多个稳定的中 间状态，实现细分步距旋转。本文详细介绍了步进电机细分驱动技术，并分析了 混合式步进电机电细分数学模型，在此理论基础上开始电路模块设计。 本课题设计了一款用于两相混合式步迸电机的驱动芯片，内部集成了p w m ( 脉 冲宽度调制) 斩波控制和步进电机细分驱动功能，工作于3 6 v 可持续输出1 5 a 电 流。p w m 电流控制电路与3 位非线性数模转换器相结合，可细分电机绕组上的电 流，对步进电机进行整步、半步、1 4 步或3 8 步的细分控制，从而实现了步进 电机不同步距角的运作。为了改善电机性能，特别是电机工作在微步距模式下的 正弦电流波形下时，芯片可提供三种不同的电流衰减模式( 快衰减模式、慢衰减 模式、混合衰减模式) 。同时，芯片内部的保护电路可实现过热关断和欠压锁定。 本文详细介绍了芯片的主要组成模块电路并给出了仿真结果。通过 c a d e n c e s p e c t r e 对电路进行仿真，仿真结果表明芯片的性能指标都达到了设计要 求。同时，本课题也完成了版图设计工作，并给出了版图验证结果。 关键词：步进电机脉宽调制细分驱动 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t e p p e rm o t o ri sa l le l e c t r o m e c h a n i c a ld e v i c et h a tc o n v e r t se l e c t r i c a lp u l s e s s i g n a li n t od i s c r e t es t e pa n g l e b e c a u s eo fh a v i n gt h ea d v a n t a g eo fp r e c i s ep o s i t i o n i n g a n dn o n - c u m u l a t i v em o v e m e n te r r o r , s t e p p e rm o t o ri sb e i n ga p p l i e dw i d e l yi nm a n y f i e l d sc o m p a r e dt ot h eo t h e rm o t o r s t h es u b d i v i d i n gd r i v ei sak i n do fd r i v i n g t e c h n o l o g yt h a tc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h es t e pp r e c i s i o na n dc h a r a c t e r i s t i co fl o w f r e q u e n c y i ti st h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u et op r o v i d ef o ri n c r e a s e ds t e pr e s o l u t i o n t h eb a s i cp r i n c i p l eo fs u b d i v i d i n gd r i v ei st op r o d u c em a n yn e u t r a l i t i e si ns y n t h e s i z e m a g n e t i cf i e l df o rs u b d i v i s i o nb yc o n t r o l l i n gt h em o t o rc u r r e n ta s c e n do rd e s c e n di n g i v e nr u l e t h et h e s i sp a r t i c u l a r l yp r e s e n t st h et e c h n i q u eo fs u b d i v i d i n gd r i v e ，a n d a n a l y s e st h em a t h e m a t i c sm o d e l so fh y b r i ds t e p p e rm o t o r t h ec i r c u i t sw e r ed e s i g n e d o n t h i s t h e o r y 。 t h et h e s i sd e s i g n sat w o p h a s es t e p p e rm o t o rd r i v e ri c ，w h i c hh a sp w mc h o p p e r a n ds u b d i v i d i n gc o n t r o lf u n c t i o n t h eo u t p u t sa r er a t e df o rc o n t i n u o u so u t p u tc u r r e n t st o 1 5 aa n do p e r a t i n gv o l t a g e st o3 6 v p w mc u r r e n tc o n t r o lc o m b i n e dw i t ha ni n t e r n a l t h r e e - b i tn o n l i n e a rd i g i t a l - t o - a n a l o gc o n v e r t e ra l l o wt h em o t o rc u r r e n tt ob ec o n t r o l l e d i nf u l l 一，h a l f - ，q u a r t e r - ，o rm i c r o s t e p p i n gm o d e s ，a n dt h i sc r nd r i v et h em o t o r t ow o r ki n d i f f e r e n ts t e pa n g l e t h em o t o r sc a no p e r a t ei naf a s tc u r r e n t - d e c a ym o d e , s l o w c u r r e n t - d e c a ym o d eo ri nam i x e dc u r r e n t - d e c a ym o d et oo p t i m i z et h e i rp e r f o r m a n c e s i n m i c r os t e p p i n g & i n u s u i d a ls t e p p e r - m o t o rd r i v ea p p l i c a t i o n s i n t e r n a lc i r c u i tp r o t e c t i o n i n c l u d e st h e r m a ls h u t d o w na n du n d e rv o l t a g el o c ko u t t h et h e s i se x p a t i a t e st h em o d u l ee i r c u i t so ft h ed r i v e ra n dp r e s e n t st h es i m u l a t i o n r e s u l t s t h er e s u l t ss i m u l a t e db yc a d e n c es p e c t r ei n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c e so fi c h a v er e a l i z e dt h et a r g e t a t $ a m et i m e ，w ec o m p l e t e dt h ed e s i g no f l a y o u ta n dc o n f i r m e d i t sv a l i d i t y k e yw o r d s ：s t e p p e rm o t o rp u l s e - w i d t hm o d u l a t e ds u b d i v i d i n g d r i v e 第一章绪论 第一章绪论 1 1 步进电机概述 7 步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，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，并将电脉冲信号转化成相 应的角位移或线位移的控制电机。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，步进电机就移动一步。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。 步进电机受脉冲信号控制，它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比， 所以电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以 在很大的范围内调节电机的转速，并能快速起动、制动和反转。所以，电机步距 角和转速大小都不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、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。 步进电机有多种不同的结构，主要类型可分为反应式步进电机、永磁式步进 电机和混合式步进电机。近2 0 多年来，步进电机驱动技术和电机结构都得到了很 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 该两类步进电机的特点，因而性能更好。 国外步进电机研究较早，步进电机驱动技术的研究成果也很多，如今正在研 究开发以步进电动机为执行机构的高性能伺服系统。我国步进电机的研究及制造 始于上世纪5 0 年代后期，对步进电机精确模型也做了大量研究工作，如今，各种 步进电机及其驱动器作为产品被广泛利用。 1 2 1 步进电机的特点 1 2 步进电机的特点及应用 步进电机本体、步进电机驱动器、逻辑电路和控制器构成步进电机系统不可 分割的四大部分。其系统框图如图1 1 所示。 8 新型步进电机驱动电路的研制 图1 1 步进电机系统框图 步进电机具有自身的特点，归纳起来有： 1 ) 高精度的定位：步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。 2 ) 位置及速度控制：步进电机在停止状态下( 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：步进电机因为加速性能优越，所以在做到瞬时起动、停止、正 反转之快速、频繁的定位动作； 4 ) 开回路控制：步进电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予的速度及位置进行控制； 5 ) 中低速时具备高转矩：步进电机在中低速是具有较大的转矩，能够较同级 伺服电机提供更大的扭力输出： 6 ) 小型、高功率：步进电机体积小、扭力大、尽管于狭窄的空间内，仍可顺 利做安装，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，步进电机运转也可能出现低频振荡，而使用细 分驱动技术可以有效克服低频共振的危害。 1 2 2 步进电机的应用 通常选择步进电机我们希望步进电机的输出转矩大、启动频率和运行频率高、 步距误差小等等。首先应考虑的是系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希 望脉冲当量( 每输入一个脉冲使被控制对象产生的位移) 小。但脉冲当量太小， 要求的减速比大，而最高速度将受到步进电机的最高运行频率限制。故应兼顾精 度与速度。 经过长期的发展，步进电机的应用已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 电子期间及驱动技术的进步，步进电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机和驱动用电机被广泛使用。 第一章绪论 1 3 步进电机驱动技术的发展概况 虽然步进电机是一种数控元件，一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步 进电机，必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。步迸电机本体和步进 电机驱动电路两者密不可分地组成步进电机系统。步进电机驱动电源同步进电机 本身是一个整体，其性能好坏直接影响步进电机系统性能的优劣。多年来，步进 电机系统尤其是其中的驱动电路部分也不断地发展，国内外围绕步进电机驱动电 路做了大量的研究与开发。 1 3 1 国内研制概况 9 现主要从以下两个方面对其发展及国内研制概况进行论述i lj ； ( 1 ) 电源功放级使用元件情况 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。在七十年代由于 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，抗干扰能力 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 i n 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、高增益的特点，因 而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u o s f e t 作为末级功放元件。 ( 2 ) 驱动电源电路结构的发展 不同形式的功率放大电路对电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国外就已大量使用，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。但由于电机旋转反电势和互感等因素的影响，易使电流 1 0 新型步进电机驱动电路的研制 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。 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。 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 国外对步进电机的研究一直很活跃。目前，国外对步进电机的控制和驱动的 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。另一类芯片的核心是实现细分技术，内部集成p 惭斩波控制和函数型双极驱动 电路细分控制功能目前由于集成芯片受到耐压、电流容量的限制，一般只能用 于小功率步进电机的驱动。 近年来，国外许多厂商相继推出了多种步进电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、 性能优异的步进电机驱动器。 总而言之，国外所采用的集成技术由于涉及到微电子技术、集成电路加工技 术、电力电子技术的前沿。 1 3 3 步进电机的发展趋势 步进电机今后的发展，依赖于新材料的应用，设计手段的，以及与驱动技术 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，至今还有许多工作要做，它可以为各类问题的深入分析提供基础，为优化 设计指出方向。其次，随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的 进一步应用与发展以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深 第一章绪论 入广泛的领域中得以应用，尤其是智能化应用技术方向的发展将会成为步进电机 下一阶段的发展趋势。最后，电力电子技术、微电子技术的发展，高性能永磁材 料的应用及优化设计技术对步进电机的发展起到重要作用，同时驱动技术改进的 作用也不容忽视，特别是微步驱动技术的应用和成熟，对步进电机的设计和发展 产生了很多的影响，也提出了一系列研究的新课题和新方向。 1 4 本课题研究的意义和主要内容 目前国内的步进电机驱动器一般都采用高低压驱动方式或者调频调压驱动方 式，这些驱动电路仅可实现基本步距的运行，可靠性不高，还存在运行速度低、 缺乏保护电路、驱动效率低和发热损耗大等缺点。随着微电子技术的发展，出现 了集成化的驱动电路。我国现有应用的步进电机i c 驱动芯片主要依赖进口，而且， 其中许多步进电机驱动芯片仅提供整步和半步控制，大大约束了步进电机性能的 进一步提高。与这类驱动方式相比，细分驱动可使步进电机获得更小的步距角、 更高的分辨率，因此，细分驱动有更佳的控制效果。本课题的研究主要针对常用 的两相混合式步进电机，旨在进行使步进电机优化运行的控制驱动芯片设计。 两相混合式步进电机是一种十分流行的步进电机，它即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，所以应用十分广泛。 本课题的主要工作是设计一款步进电机细分控制驱动芯片，芯片内部的p w m 控制回路和3 位非线性d a c 可控制电机绕组电流工作在全步，半步，1 4 步和1 8 步( 微步距) 模式下。微步可提供更小的步距角，同时可减小在步进电机低速运 转时的扭矩变化和共振问题。 该芯片具备以下特点： 1 5 a 连续输出电流 3 6 v 最大输出电压 内部p w m 电流控制 3 位非线性数模转换器 快、混合和慢电流衰减模式 内部的续流二极管 内部过热关断和欠压保护电路 使用c a d e n c e 软件完成电路设计、模拟仿真、版图设计和验证工作流片采 用上海新进的双极2 p m 3 6 v 工艺。 1 2 新型步进电机驱动电路的研制 1 5 小结 本章较为详细的阐述了步进电机及其驱动技术的国内外的研发现状，同时也 介绍了步进电机的基本特点和应用，分析了随着电力电子技术和微电子技术的进 步，步进电机驱动技术及其应用的发展趋势。最后，说明了本课题的研究意义和 主要内容。 第二章步进电机的工作原理 第二章步进电机的工作原理 2 1 步进电机的分类 步进电机的品种规格很多，按结构特点可分为反应式步进电机、永磁式步进 电机和混合式步进电机。步进电机主要结构类型如表2 1 所列，图2 1 为它们的 结构示意图脚。 表2 1 步进电机结构类型 反应式步进电动机( v a r i a b l er e l u c t a n c e ) 旋转电机永磁式步进电动机( p e r m a n e n tm a g n e t ) 混合式步进电动机( h y b r id ) v r 型 直线电机 p m 型 h b 型 图2 1 三种类型电机结构示意图 反应式步进电动机在结构上来说，定予上由多相绕组，定子磁极和转子上开 有小齿。其主要特点是结构简单，坚周耐用；齿距角可以做得很小，起动和运行 频率较高：断电时无定位力矩，需用带电定位，消耗功率大，效率较低。 永磁式步进电动机转子为永磁体，要想减小步距角，可增加转予的磁极数及 定子的齿数。但转予要制成n _ s 相问的多对磁极较为困难，而且定子的极数也必 须增加，线圈数也相应增加，这将受到定子空间的限制。所以，永磁式步进电动 机步距角都比较大。同时，其起动和运行频率较低，断电时有定位力矩，消耗功 率小 。 混合式步进电动机转子采用永磁体，是一种永磁式步进电动机，而同时定转 子的铁芯均为齿状结构，具有小的步距角，故又同反应式步进电动机结构相似， 1 4 新型步进电机驱动电路的研制 所以混合式步进电动机可以看作是v r 和p m 两种步进电动机的组合。从转矩作用 原理来看，混合式步进电动机可看作是定子磁势与转子永磁体相互作用的结果。 因而，混合式步进电机具有反应式步进电机和永磁式步进电机的双重优点。 同反应式步进电动机相比，相同的电动机体积，混合式步进电动机具有输出 转矩大、步距角小、分辨率高等优点，因而其应用领域也越来越广泛，形成了二 相和五相混合式步进电动机两个主要系列产品的工业生产格局五相混合式步进 电动机结构复杂，成本高，但其分辨率高，运行性能好，主要应用在对性能指标 要求较高的场合。二相混合式步进电动机结构简单，成本低，但电机本身的分辨 率不是很高。 但是，随着驱动极数的发展和在步进电动机系统中的应用，使得步进电动机 系统的分辨率可以在不增加相数的情况下得以提高。这为二相混合式步进电动机 系统运行性能的提高提供了广阔的前景。 2 2 1 反应式步进电机 2 2 步进电机结构和工作原理 反应式步进电机的典型结构如图2 1 所示。设一台四相的电机，定子铁心由 硅钢片叠成，定子上由8 个磁极( 大齿) ，每个磁极上又分有许多小齿。四相反应 式步进电机共有4 套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一 相。转予是由叠片铁心构成的，沿四周也有许多小齿，转子上没有绕组 反应式步进电机的工作原理：利用凹极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起 的反应转矩而转动的。下面以一个简单的三相反应式步进电机为例 3 1 。 图2 2 所示为一台三相反应式步进电动机的工作原理因。它的定子上有六个 极，每极上都装有控制绕组，每个相对两极组成一相。转子只有四个齿，上面没 有绕组。输入a 相控制绕组通电时，因磁通要沿着磁阻最小的路径闭合，将使转 子齿1 、3 和定子极a 、a 对齐。如图2 2 a 所示。a 相断电、b 相控制绕组通电时， 转子将在空间转过3 0 0 。即步距角谚= 3 0 。使转子齿2 、4 与定子极b 、b7 对齐， 如图2 2 b 所示。如再使b 相断电。c 相控制绕组通电，转子又在空间转过谚= 3 0 0 ， 使转子齿1 、3 和定子极c 、c7 对齐，如图2 2 c 所示。如此循环往复，并按 a b c a 顺序通电，电动机便按一定的方向转动。电动机的转速取决于控制绕 组与电源接通或断开的变化频率。若按a c b a 的顺序通电，则电机反向转动 控制绕组与电源的接通或断开，通常是由电源逻辑线路来控制的。 第二章步进电机的工作原理 图2 2 三相单三拍运行 定子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单 三拍“单”是指每次只有一相控制绕如通电；“三拍”是指经过三次切换控制绕 组的通电状态为一个循环。 三相步进电机除单三拍通电方式外，还经常工作在三相六拍、三相双六拍通 电方式。三相六拍运行的通电顺序为：4 一a b b b c c c a a 或是 爿一a c c c b bb aa 。也就是说，先a 相控制绕组通电；以后a 、b 相控制 绕组通电，转子按逆时针方向转过1 5 0 ；然后断开a 相控制绕组，由b 相控制绕组 单独通电；再使b ，c 相控制绕组同时通电，依次进行。在这种通电方式时，定子 三相控制绕组需经历过六次切换通电状态才能完成一个循环，故称为“六拍”，并 在通电时，有时是单个控制绕组通电，有时又为两个控制绕组同时通电，因此称 为“单、双六拍”。图2 3 表示了按这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分 布的图形。 囝 )c b )“) c a ) 图2 3 兰相六拍运行 ( a ) a 相通电( b ) a 、b 相通电( c ) b 相通电( d ) b 、c 通电 由此可见，三相六拍运行时转子每步转过的角度比三相三拍( 不论是单三拍还 是双三拍) 运行时要小一半，因此一台步进电机采用不同的供电方式，就可以控 制电机运行时的步距角。 在实际使用中，还经常采用三相双三拍的运行方式，就是按 a b b c - c a a b 方式供电，与单三拍运行方式时一样，每个循环绕组通电换 接三次，总共有3 种通电状态。除了转子每次定位与单三拍有所不同，双三拍供 1 6 新型步进电机驱动电路的研制 电转子每步转过的角度也是3 0 0 。 以上讨论的是一台最简单的三相步迸电机的工作原理，但是这种步进电机每 步所转过的角度即步距角是比较大( 1 5 。或3 0 。) ，它常常满足不了系统精度的要求， 所以现在大多的转予齿数很多，定子磁极上带有小齿的反应式结构，其步距角可 以作得很小。下面进一步说明这种电机的工作原理。 设步进电机为四相单四拍运行，即通电方式为彳一口一c d 一彳。当图中的 a 相控制绕组通电时，产生了沿a a 极轴线方向的磁通，由于磁通力图通过磁 阻最小的路径，因而使转子受到反应转矩的作用而转动，直到转子齿轴线和定子 磁极a 和a 上的齿轴线对齐为止。因为转子共有5 0 个齿，每个齿距角口= 7 2 0 ， 定子一个极距所占的齿数为5 0 ( 2 4 ) = 6 2 5 ，不是整数，因此a 、a 极下的定、 转子齿轴线对齐时，相邻两对磁极b 、b 和d 、d 极下的齿和转子齿必然错开1 4 齿距角，即1 8 0 ，这时，各相磁极的定子齿与转子齿相对位置如图2 4 所示。如果 断开a 相而接通b 相，这时磁通沿b 、b 极轴线方向，同样在反应转矩的作用下， 转子按顺时针方向转过1 8 。，使转子齿轴线和定子磁极b 和b 下的齿轴线对齐。 这时，a 、a 和c 、c7 极下的齿与转子齿又错开1 8 0 。以此类推，控制绕组按 4 一曰一c d 一4 顺序循环通电时，转子就按顺时针方向一步一步连续地转动起 来，每换接一次绕组，转子转过1 4 齿距角。显然，如果要使步进电机反转，那 么只要改变通电顺序，即按4 一d c b 一彳顺序循环通电时，则转子便按反时 针方向一步一步地转动起来，步距角同样为1 4 齿距角，即1 8 。 图2 4a 相通电时定、转子齿的相对位置 l ，8 步距角1 8 步臣角 图2 5a 、b 两相通电时定、转子齿的相对位置 如果运行的方式改为四相八拍，其通电方式为 a a bbb c c c d d d a a 即单相通电和两相通电相间时，与上面三 相步进电机原理完全一样，当a 相通电转到a 、b 两相同时通电时，定、转子齿的 相对位置由图2 4 所示的位置变为图2 5 那样的位置( 只画出a 、b 两个极下的齿) ， 堪 出一- 蟊一 _ 口 i 器啦 第二章步进电机的工作原理 1 7 转子按顺时针方向只转过l 8 齿距角，即0 9 0 ，a 极和b 极下的齿轴线与转子齿轴 线都还错开1 8 齿距角。转子受到两个极的作用力矩大小相等，但方向相反，故 仍处于平衡。当b 相一相通电时，转子齿轴线与b 极下齿轴线相重合，转子按顺 时针方向又转过1 8 齿距角。这样继续下去，每换接一次绕组，转子就转过l 8 齿距角。可见四相八拍运行时的步距角比四相四拍运行时也小一半。 当步进电机运行方式为四相双四拍，即a b b c c d d a a b 方式通电时， 步距角与四相单四拍运行时一样为t 4 齿距角，即1 8 。 2 2 2 永磁式步进电机 永磁式步进电机是转子上安装了永久磁钢的步进电机，它的工作原理是转子 上的永磁体建立的磁场，与定子绕组电流建立的磁场相互作用而产生电磁转矩。 2 2 3 混合式步进电机 混合式步进电机既有反应式步进电机的高分辨率，每转步数比较多的特点； 又有永磁式步进电机的高效率，绕组电感比较小的特点。从结构上看，它通常有 多相绕组，它的定转子上开有很多齿槽，类似反应式步进电机。转子上有永久磁 铁产生单向的轴向磁场，这与永磁式步进电机相似。 i l 图2 6 混合式电机垂直轴剖面图 如图2 6 ，每相绕组绕在8 个定子磁极中的4 个极上，如：绕组a 绕在1 、3 、 5 、7 磁极上，则绕组b 绕在2 、4 、6 、8 磁极上；而且每个相邻的磁极以相反方向 绕，这样就使得相邻两个磁极的磁场径向相反。在绕组通电以后，定子和转子上 分别形成对应的s 极或n 极，通过磁场产生的作用力驱使转予转动，实现电机运 行。如按照特定的时序激磁，如：彳一面一j 一占一彳，电机按一定的方向连续旋 转改变激磁时序，如：一口一j 一否一4 ，电机将沿相反方向旋转。 i s 新型步进电机驱动电路的研制 2 3 步进电机运行基本特点 根据上述工作原理可以归纳步进电机运行基本特点如下【4 1 【5 1 6 1 ： ( 1 ) 步进电机工作时每相绕组不是恒定通电，而是由专门驱动电路供给，通 过环形分配器按一定规律轮流通电。环形分配器输出的各路脉冲电压信号，经过 各自的放大器放大后送入步进电机的各相绕组，使步进电动机一步步转动。图2 7 表示三相步进电机控制方框图。 环形分配是 图2 7 三相步进电机控制方框图 步进电机的这种轮流通电方式称为“分配方式”每循环一次所包含的通电状 态数称为“拍数”。而控制电脉冲频率厂是每相脉冲电压( 或电流) 频率厶的n 倍， 即 厶= ( 2 - 1 ) ( 2 ) 每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，用符号见表示。转 子相邻两齿间的夹角。即齿距角为 晓：3 6 0 。( 2 2 ) z r 乙为转子齿数，所以转子每步转过的空间角度，即步距角为 岛= 导= 器( 2 - 3 ) v 厶d v 其中n 为运行拍数，= | b 竹( 七= l ，2 ) 为了提高工作精度，就要求步距角很小要减小步距角可以增加拍数n 或增加 转子齿数乙。相数增加相当于拍数增加，但相数越多，电源及电机的结构也越复 杂；增加转子齿数磊，步距角也可减小 ( 3 ) 反应式步进电机可以按特定指令进行角度控制，也可以进行速度控制。 角度控制时，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比，其步数和脉冲数一致。 速度控制时，送入步进电机的是连续脉冲，各相绕组不断的轮流通电，步进电机 连续运转，它的转速与脉冲频率成正比。每分钟转子所转过的圆周数，即转速为 第二章步进电机的1 二作原理 1 9 以：堕，m i l l ( 2 4 ) z r n 式中，厂为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。 可见，反应式步进电机转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、 负载、温度等因素无关。 ( 4 ) 步进电机具有自锁能力。控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制 的绕组继续通直流电时，电机可以保持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控 制的角位移的终点位置上。 综上所述，由于步进电机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的 影响，也不受环境条件变化的影响，只与控制脉冲同步，同时它又能按照控制要 求，实现起动、停止、反转或改变转速。因此，步进电机被广泛地应用于各种数 字控制系统中 2 4 步进电动机的基本参数 步进电机的基本参数有： 步进电机的相数 是指电机内部的线圈组数，常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。 保持转矩 是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转予的力矩。通常步进电机在 低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不 断衰减，输出功率也速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进 电机的最重要的参数之一。 最大静转矩l 一 步进电机在规定的通电相序下，距角特性上的转矩最大值。绕组电流越大， 最大静转矩也就越大。按最大静转矩的值可以把步进电机分为伺服步进电 机和功率步进电机。 步距角 每输入一个电脉冲信号时电机转子转过的角度。 起动频率和起动矩频特性 指步进电机能够不失步起动的最高脉冲频率。在一定的负载惯性下，启动 频率随负载转矩变化的特性称为起动矩频特性。 运行频率和运行矩频特性 步进电机启动后，控制脉冲频率连续上升而维持不失步的最高频率。在负 载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频特性 2 0 新型步进电机驱动电路的研制 额定电流 电机不动时每一相绕组容许通过的电流定为额定电流。 额定电压 指驱动电源各相主回路的直流电压。一般它不等于加在绕组两端的电压。 矩角特性 矩角特性是指在不改变各相绕组的通电状态的条件下，即一相或几相绕组 同时通以直流电时，步进电机的电磁转矩与失调角的关系，如图2 8 所示。 伊 稳定平矗点 静麓定区 图2 8 步进电机的距角特性 2 5 两相混合式步进电机电细分数学模型的推导 步进电机的细分驱动技术通过细分绕组负载电流，减小了步距角和步进误差， 从而大大提高了电机的分辨率和步距精度p 8 1 1 9 】i 1 0 1 。 电细分技术研究的关键是确定各个平衡位置通入各相电流的大小，建立步进 电机磁网络模型是必不可少的环节，它能帮助我们确定合理的控制电流。图2 9 是 两相混合式步进电机定子绕组励磁时的等值磁路图。 图2 9 定子绕组励磁时的等值磁路图 其中，e 、a 。、a 。分别是对应于二分之一磁钢截面积的等效磁势、内部磁 导和漏磁导人。、a 。、a 。、a 。分别为一端极下a 、b 、c 、d 每相极下的气隙磁导， 这些磁导参数都是转子位置角的周期性函数，以转予齿距为变化周期。取a 极上小 齿的中心线为转子的位置角的参考坐标，以转子小齿中心线与参考坐标的夹角表 示转子的位置角，不计铁心饱和及忽略周期性磁导2 次以上谐波分量，且按线性考 虑，可表示为 第二章步进电机的工作原理 人。= a o + a 1 c o s 见 a 6 = a o + a ls i n 0 # 人c = 人。一a l c o s 见 a d = a o a ls i n o , a 乙= 人。一a l c o s 见 a ：= a o a l s i n 0 。 人：= a o + a l c o s 见 a 0 = a o + a 1s i n 0 。 式中，人0 ：一端铁心段两个极齿层磁导的平均分量； 波分量幅值；晓：定转子齿中心线夹角的电角度。 如图2 9 所示，两端极下外部磁路的磁导分别是 a 9 2 a 口+ a b + a c + a d 2 4 a o 2 1 ( 2 5 ) ( 2 - 8 ) a 。：同上齿层磁导的基 ( 2 - 7 ) a g = a 0 + a i + a 乙+ 人0 = 4 a o ( 2 8 ) 外部磁路的总磁导为： 人r2 占+ 人，= 2 a 。+ a 一( 2 - 9 ) a 。a 名 由于外部磁路总磁导a r 一定，因而磁钢工作点和总磁通m 。与位置角见无关。由 图2 9 可得 l 中t 案盘址，2 薏姒，= 惫姒，( 2 - 1 0 ) 凡s k g 1 ：= 鲁盘州= 鼍州。= 彘x ”( 2 - 1 1 ) a g 人t 覃 式中q 、m i 分别为两端极下各相的每极磁通； 吐为磁钢磁通； a ，、人：分别为两端极下的各极磁导，i = a , b ，c , d 。于是，两端极下各相磁 通分别为 新弛步进电机驱动电路的研制 西。= 丧姒。 哦= 丧姒一 。= 去姒。 吼= 旦4 a o k , 。= 去乙 卟去n ： 呼矗呲 卟最姒。 各相总磁通分别为 。一。加乙2 耠c o s 见 西。= ( i ) b - - ( d ：= 篆s i n 见 e p c = d p - 西：2 羚包) 吩卟卟装( 一s i n o ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 从上式可知，各相总磁通是转子位置角见的函数。 静转矩的表达式可以从转角变化时电机内磁共能的增量求出。在线性条件下， 只要分别求出定子励磁磁势在磁钢中产生的磁共能和转子在定子中产生的磁共 能，利用总磁能对转角求导，即可得到转矩解析式。 设a n 励磁，即l = ，厶= = l = o ，转子磁钢与a 相绕组交链的总磁链为 u 1 2 _ 4 n ( i ) ；2 掣争c o s o ( 2 1 5 ) 几o f 对于两相混合式步进电机，其静转矩为 z - ：等：嘉( 1 2 + i v f f 2 ) ( 2 1 6 ) a 口a 秒、 ” 第二章步进电机的【作原理 其中，形。为定子回路，定予电流和转子磁钢产生的互磁共能分量； 形- ，：。为转子回路，定子电流在转子内产生的互磁共能分量； ：= 扣= 等c o s 晓 形，2 i - w ，1 2 ( 2 1 8 ) 所以静转矩为 r = 鲁= 品( w g f l 2 + 形2 1 h ，去啪s i n 见一舢( 2 - 1 9 ) 式中：蜀= 4 z ，芴e 志m m ，z ，为转子齿数。 当步进电机两相同时通电流时，不计铁心饱和的影响，应用叠加的原理，电磁 转矩为 z = - k o i o s i n o , + k o i , c o s 芝 ( 2 2 0 ) 当转子稳定在某一位置时，即= o 则 s i n o 。= c o s o , ( 2 2 1 ) 为了实现恒力矩驱动，并保持力矩输出为最大值，a 相电流的变化取三角函数 关系，即= s i n o , 。在电机步距角为9 0 。下，细分时两相电流的值按计算得 = c o s ( i 9 0 。s ) 毛：k 。妯掣。) 其中：n 为细分数，s 为步数。即式( 2 - 2 2 ) 为电细分的数学模型。 2 6 小结 ( 2 2 2 ) 在阐述了步进电机的分类及其各自主要特点的基础上，本章主要详细介绍了 反应式步迸电机的内部结构和工作原理同时，本章也归纳了步进电机的基本参 数，推导出两相混合式步进电机点细分数学模型，为第四章介绍步进电机细分驱 动技术提供理论基础。 第三章步进电机驱动系统 第三章步进电机驱动系统 3 1 步进电机驱动系统组成 步进电机不能直接接到交直流电源上工作，必须由专门的驱动电源供给的， 驱动电源和步进电机是一个有机整体，步进电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。步进电机驱动主要构成如图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【1 1 1 变脉功 步 频冲 塞 进 负 信分 放 电载 号配大 机 源器器 图3 1 步进电机驱动主要结构 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 信号发生器，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机 3 2 驱动电路的特点 步进电动机及其驱动电路电源是一个相互连系的整体。步进电动机的运行性 能是由电动机和驱动电路两者配合所反应出来的综合效果，所以通常对驱动电路 有以下要求【1 2 1 1 1 3 】： 能够改善电流、波形的上升沿和下降沿，产生接近矩形的电流波形； 设置供截至期间释放电流流通的回路，降低绕组两端产生的反电动势，加 快电流衰减； 能最大限度地抑制步进电动机的振荡； 驱动电路的功耗低、效率高； 驱动电路运行可靠，抗干扰能力强； 驱动电路成本低、便于生产。 为了提高步进电机定位的分辨率，减少过冲和抑制振荡，有时要求驱动电路 具有细分功能，将常规的矩形波供电改变成阶梯波供电 新璎步进电机驱动电路的研制 3 3 步进电机驱动技术 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，概括起来共有这样几种：单电压驱动、高低压切换驱动、斩波恒流驱动、 调频调压驱动、h 桥双极性驱动和细分驱动。 步进电动机的驱动方式，按相绕组流过的电流是单向的或是双向的j 分别称为 单极性和双极性驱动。单极性驱动即绕组电流只向一个方向流动，适用于反应式 步进电机。至于永磁式或混合式步进电动机，工作时要求定予磁极的极性交变， 通常要求其绕