（机械电子工程专业论文）步进电机驱动控制的应用研究.pdf

摘要 本文在系统分析了步进电机应用和发展的基础上，对步进电机的驱动技 术作了详尽的论述，建立了三相反应式步进电动机的数学模型，并利用该模 型对斩波驱动的步进电机绕组电流及空载运行的启动频率等进行了仿真，为 步进电机驱动系统的设计提供了依据。 设计了一套包括控制器、环形分配器和功率放大器在内的步进电机斩波 驱动器，该驱动器包括比较完善的信号隔离及保护环节，特别是其环形分配 器的设计，采用了新型的可编程逻辑器件g a l 进行设计，使其具有灵活、可 靠、体积小且实时性强的优点。经实验验证，该驱动器绕组电流上升速度快， 关断迅速，电流波形较好。整机运行性能较好，能满足工件加工的速度及精 度要求。 设计了适合三相反应式步进电动机的细分驱动器，在功率驱动中采用了 大功率v m o s 器件，在细分环形分配器设计中采用了两片g a l ，使整个电路具 有较高的运行性能，开关迅速，功耗小，体积较小，可靠性较高。 关键词：步进电机 斩波驱动器 环形分配器 细分驱动器 a b s t r a c t b a s e do nt h es y s t e m a t i ca n a l y s e so ft h ea p p l i c a t i o n sa n dd e v e l o p m e n t so f s t e pm o t o r ，t h ed r i v i n gt e c h n i q u eo fs t e pm o t o ra r ea n a l y z e di nt h i s p a p e r ，a n d u p o nt h e s es t a t e m e n t s ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo f v r s t e pm o t o r i sb u i l t w i t ht h i s m o d e l ，t h ec o i l c u r r e n to fs t e pm o t o rw i t hc h o p p i n gd r i v e ra n dt h en o n l o a d e d s t a r t i n gf r e q u e n c ya r e s i m u l a t e df o rt h eb a s eo fd e s i g n i n go fs t e pm o t o rs e r v o s y s t e m as t e pm o t o r c h o p p i n gd r i v e r ，i n c l u d i n gc o n t r o l l e r ，c i r c u l a rd i s t r i b u t o r ， p o w e ra m p l i f i e r , s i g n a ls e p a r a t o ra n dc i r c u i tb r e a k e ri sd e v e l o p e d e s p e c i a l l yt h e d e s i g n i n go f t h ec i r c u l a rd i s t r i b u t o r ，t h ea d o p t i n go ft h en e w l o g i c a ld e v i c eg a l ， w h i c hh a v em a n ya d v a n t a g e so fh i g hf l e x i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y i ti ss h o w ni n e x p e r i m e n tt h a t i th a sah i g hr i s e s p e e d o fc o i lc u r r e n ta n dag o o dc u r r e n t w a v e f o r m o v e r a l lt e s ts h o w st h a tt h ed r i v e rh a sa h i g hp e r f o r m a n c e a m i c r o - s t e p p i n gd r i v e r f o rv rs t e pm o t o ri s d e s i g n e d i np o w e rd r i v e c i r c u i t ，a k i n do fp o w e rt r a n s i s t o rv m o si s a d o p t e d i nd e s i g n i n g o ft h e m i c r o s t e pc i r c u l a rd i s t r i b u t o r ，t w op i e c eo fg a l a n de p r o ma r eu s e d a l lt h e c h a n g e sm a d et h eo v e r a l lc i r c u i th a sah i g h e rr u n n i n gp e r f o r m a n c e ，f a s ts w i t c h i n g t i m e ，s m a l lp o w e rd i s s i p a t i o na n dv o l u m e k e y w o r d s ： s t e p p e rm o t o r c i r c u l a rd i s t r i b u t o r c o n s t a n tc u r r e n tc h o p p i n gd r i v e m i c r o - s t e p p i n gd r i v e r 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂洼盘茎或其他教育机构 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。 学位论文作者签名：竿多露移签字日期：；年p 月岁，f ：| 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权盘洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 早f 吕移 导师签名： 签字同期：a 一) 年2 - 月；j 同签字日期：少调y 年月zh 第一章绪论 ：= = = = ；= = ；# # 2 2 。2 2 2 。2 2 2 2 2 2 2 。一 1 1 课题背景 第一章绪论 战后全球社会经济发展的历史经验证明，一个国家的实力及其繁荣，主要 取决于其制造业所能提供的产品与劳务的竞争力。我国与工业化国家的技术差 距主要是制造技术方面的差距。 制造是人类最古老的生产活动之一，1 8 世纪中叶的工业革命促进了现代工 业化生产的出现，1 9 世纪电气技术的发展和2 0 世纪初内燃机的发明，引发了制 造业的革命，流水线生产和泰勒式工作制得到广泛的应用，二战期问，大批大 量的制造技术有了很大的发展。二战后5 0 年来，计算机、微电子、信息和自动 化技术有了迅速的发展，并在制造业中得到了愈来愈广泛的应用，先后出现了 数控( n c ) 、计算机数控( c n c ) 、柔性制造单元( f m c ) 、柔性制造系统( f m s ) 、计 算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 等多项先进制造 技术与制造模式。制造业正经历着一场新的技术革命 1 3 】。 而作为机械制造技术中主要发展方向的精密加工技术是集测量学、微电子 学、近代光学、控制论和信息论等先进技术与机械制造技术相融合的一门交叉 学科，是现代许多尖端技术和国防技术赖以存在和发展的基础，代表了一个国 家科技发展的水平。因而许多国家竟相发展精密加工及超精密加工技术，可以 说，精密机械制造技术的水平在很大程度上将成为衡量一个国家科技水平的标 志。 现代机械制造技术是一个多技术紧密耦合的技术族，其中数控技术是实现 其最终目标的基础，它的发展和运用开创了制造业的新时代，使世界制造业的 格局发生了巨大的变化。目前世界各国都在大力发展数控技术，而且国外的数 控加工系统在精度和自动化的程度上都达到了很高的水平。 经历了几个五年计划的努力，我国的数控系统已经取得了很大的发展，六 五期间的技术引进，七五期间的消化吸收，到八五米，我国已经自行研制开发 了适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。 但是，由于我国许多因素的影响，我国的数控技术方面整体发展水平还比 较低，利用率也不高。经济型数控在我国占有比较重要的地位，并起了很大的 作用，它以单板机或单片机为数控核心，以步进电机为执行元件，由于其结构 简单，价格便宜，只需万元左右就可以装备一台经济型数控机床，很适合我 第一章绪论 国中小型企业使用。统计表明：八五期间，国内采用交、直流伺服驱动系统的 数控机床仅占数控机床总数的1 5 左右，其余8 0 以上的数控机床则是采用步 进电机作为执行元件。采用步进电机作为伺服执行元件，不仅可以应用于经济 型数控伺服系统，而且也可以辅以先进的检测和反馈元件，组成高精度全闭环 数控系列，从而达到很高的加工精度。在经济型数控系统中，有南京微分电机 厂、南京大方股份有限公司生产的j w k 系列、常州宝马集团公司生产的b k 系 统、i 二海丌通机电科技公司开发的k t 。4 0 0 7 等。这些企业除了进一步提高系统 的可靠性外，还在步进电动机的驱动电源控制技术、半闭环或闭环控制技术、 各种专用的机械控制系统等方面进行研究开发，具有较好的市场前景 4 8 。 1 2 步进电机伺服系统概述 步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或直线位移的电磁元件，从能 量转换的角度来看，它和普通的电机无异，但是由于它的运行原理、驱动电源 及控制方式的特殊性，使其具有如下的特点 9 ： ( 1 ) 、励磁绕组上旗加的不是一个恒定的直流或交流电压，而是采用电子 开关断续加以直流电压，即采用脉冲供电方式。 ( 2 ) 、电机的转速与脉冲频率保持严格的同步关系。 ( 3 ) 、具有自锁能力，定位精度高。 ( 4 ) 、步迸电机具有加速转矩大等特点，其性能的提高与控制方式、驱动 电路的参数等有密切的关系。 步进电机从其结构形式上可分为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合 式步进电机、单相步进电机、平面步进电机等多种类型，在我国所采用的步进 电机中以反应式步进电机为主。步进电机的运行性能与控制方式有密切的关系， 步进电机伺服系统从其控制方式来看，可以分为以下三类： a ) 、开环控制系统 b ) 、闭环控制系统 c ) 、半闭环控制系统 由于目前半闭环控制系统在实际应用中一般归类于丌环或闭环系统中，故 下面仅从丌环和闭环的角度来加以阐述【9 1 5 】： a ) 、丌环控制系统 步进电机最简单的控制方式就是玎环控制系统，其原理框图如图1 1 所示： 第一章绪论 图1 1 开环控制原理图 在这种控制方式下，步进电机控制脉冲的输入并不依赖于转子的位置，而 是按一固定的规律发出控制脉冲，步进电机仅依靠这一系列既定的脉冲而工作， 这种控制方式由于步进电机的独特性而比较适合于控制步进电机，适合于我国 的国情。这种种控制方式的特点是：控制简单、实现容易、价格较低，这种控 制方式特别在开环控制中，负载位置对控制电路没有反馈，因此，步进电机必 须f 确地响应每次励磁的变化，如果励磁变化太快，电机不能移动到新的位置， 那么实际负载位置与理想位置就会产生一个偏差，在负载基本不变时，控制脉 冲序列的产生较为简单，但是在负载的变化可能较大的场合，控制脉冲序列的 产生就很难照顾全面，就有可能出现失步等现象。目前随着微机的应用普及， 依靠微机，可以实现一些较复杂的步进电机的控制脉冲序列的产生。 但是，这种控制方式也有如下的缺点：电机的输出转矩和速度不仅与负载 有很大的关系，而且在很大程度上还取决于驱动电源和控制的实现方式，精度 不高，有时还会有失步、振荡等现象，但由于它较易实现，价格低廉，故目前 所采用的控制方式大多数为开环控制。 b ) 、闭环控制系统 由于步进电机开环控制系统有精度不高、丢步等缺点，故在精度要求较高 的场合可以采用步进电机的闭环控制系统，其原理框图如图1 2 所示： 编 码 器 n 图1 2 闭环控制原理图 这种控制方式是直接或间接地检测出转予( 或负载) 的位置或速度，然后 通过反馈和适当的处理，自动地给出步进电机的驱动脉冲序列，这个驱动脉冲 序列是根据负载或转子的位置而随时变化的。这种控制方式的实现方法很多， 在要求精度很高的场合，结合微步驱动技术及微型计算机控制技术，可以实现 很高的位置精度要求。但这种控制方式也有一些问题，例如，闭环的实现需要 第一章绪论 增加高精度的检测、反馈及控制元件，使整个伺服系统的实现变得复杂，且价 格急剧上升，甚至使步进电机应用的低价优势丧失，另外，还有系统的稳定性 等问题。所以在目前的步进电机伺服控制系统中较少采用。 1 3 课题的提出及研究的意义 众所周知，步进电机的使用性能与它的驱动电路有密切的关系，随着电子 技术和功率玎关电子器件的出现，使步进电机的控制电路和功率驱动电路发生 了很大变化，特别是集成电路的推广和微机的普及应用，更使步进电机驱动电 源的研制上了一个新台阶，使其性能指标有了显著的提高。国内对这方面的研 究一直很活跃，但是可供选用的高性能的步进电机驱动电源却很少，而且国内 的驱动电源方面基本都存在着体积大、外形尺寸不规则、性能指标不稳定及远 没有达到系列化等问题，这就给驱动电源的选用和安装带来了极大的不便，国 外虽然有通用的各种类型的步进电机驱动电源，但大都存在一些问题，如价格 昂贵，与我国的系统连接不匹配等问题。 如前所述，步进电机伺服系统的性能，不仅与步进电机本体的特性有关， 而且还与步进电机的控制方式、驱动电源的特性及负载特性有着密切的关系， 特别是驱动电源技术方面，对步进电机运行性能的改善，如高频力矩的提高， 步距分辨率的提高，单步振荡及振动的消除等方面起着至关重要的作用。步进 电机在运行时一般有如下的问题： ( 1 ) 步进电机的加减速性能不好，步进电机在高速工作时，电气时间常数 的影响显著增大，导通时，电流不能迅速上升至额定值，而下降时，绕组电流 又不能迅速消失，因而电机的转矩特性明显下降。 ( 2 ) 步进电机的固有分辨率不高，以1 1 0 b f 0 0 3 步进电机为例，其步距角 为o 7 5 1 5 度，需配合机械减速机构以达到所需要的脉冲当量精度，但是，机 械系统的增加也同时带来了一个误差源。 ( 3 步进电机在低频运行时的振荡及过冲问题，严重限制了步进电机的应 用范围。如，在高低压电源( 8 0 1 2 v ) 驱动的1 1 0 b f 进步电机单步运行时发现。 各绕组的相电流能够很快建立起来，但是，转子位置却有较大的过冲及振荡， 需要一个相对较长的时间才能够趋于稳定。对这个问题的解决办法，除了改善 负载特性及附加机械阻尼外，还可以在驱动电源方面加以改善，如引入电磁阻 尼、采用细分驱动等办法来解决。 鉴于以上原因，对步进电动机的驱动电源及其驱动控制方式进行应用性研 究，做出适合步进电机运行特性的驱动控制方式及电路不仅具有较高的现实 第一章绪论 意义，而且具有极大的经济价值。 1 。4 课题研究的内容 本课题的研究内容包括： 1 ) 设计一套完整的步进电机斩波驱动器包括斩波驱动的电流功放级、环 形分配器设计及控制器设计，并通过理论及实验的方法对所设计的斩波驱动器 进行各项运动性能指标的测量验证。 2 ) 对步进电机的细分驱动原理进行详尽的分析，设计一套步进电机5 细分 驱动器，包括功放电路设计、产生细分阶梯波电流的细分环形分配器的设计和 控制器的设计。 3 ) 根据设计进行实验研究。 5 篁三塞生堂皇! ! 竺矍垫曼堡 2 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = ；= = = = = ；= = = = = = = o = = = = 一 第二章步进电机的驱动电源 步进电机是由电脉冲信号控制的机电执行元件，电脉冲信号的产生、分配 及放大等全靠电子元件完成，步进电机驱动电源可分为以下三部分： ( 1 ) 、脉冲信号产生电路 ( 2 ) 、脉冲信号分配电路，即环形分配器 ( 3 ) 、功率驱动电路，即功率放大器 。 步进电机的驱动电源类型很多，根据功放管的工作状态，驱动电源可分为 放大型和丌关型两种，放大型电源功放管工作在放大状态，电源功率损耗大， 效率低，而且存在着二次击穿和非线性失稳等缺点，一般仅用于小功率和要求 不高的步进电机驱动上；开关型电源功放管工作于开关状态，使电源功耗大为 降低，稳定性及可靠性均较高，同时也易于采用微机控制，在目前采用的步进 电机驱动电源中，绝大多数为开关型，而且已有集成化产品生产。下面将对各 种形式的驱动电源作一些简单介绍： 2 1 晶体管单电压驱动电源 它是最早产生的也是最简单的一种步进电机驱动电源，功率放大管根据环 形分配器的输出脉冲导通或关闭，从而使步进电机绕组中得到脉动的电流以驱 动电机运行，这种电路有如下特点： 1 ) 电机绕组主回路的供电电压只有一种。 2 ) 为提高电流导通时回路电流上升的陡度。在驱动线路中需串接一个较大 的电阻，以减小时间常数，但同时使电源效率大为降低，且必须采用冷却装置。 3 ) 线路简单，成本最低，但只能用于一些小电感、小功率的步进电机。 目前这种驱动电源已基本被高性能的驱动技术所淘汰。 2 2 高低压供电驱动电源 它是在单电压供电的基础上为解决单电压驱动的快速性不好而发展起来的 一种供电技术，其基本思路是，在脉冲来到时，在电机绕组的两端先施加一较 高电压，从而使绕组的电流迅速建立，使电流建立时间大为缩短，在相电流建立 起束之后，改用低电压，以维持相电流的大小，这样做，可以减小甚至去掉限 流电阻，使电源的驱动效率大为提高。但这种双电压驱动电源有如下缺点： 1 ) 增加了一个高压电源，而使电源结构复杂，成本变高。 一i 一 第二章步进电机的驱动电源 2 ) 由于在脉冲加入时采用高电压供电， 虽然高低压驱动电源具有如上的缺点， 快速性，大大改善了步进电机的运行性能， 用仍较普遍。 2 3 恒流斩波驱动电源 故对功放管的特性要求较高。 但由于它极大地提高了步进电机的 所以这种驱动技术目前在我国的应 由于双电压驱动电源电机绕组的电流波形较差，影响了电机的平稳运行， 所以以此为出发点，发展了恒流驱动技术，恒流式驱动电源有多种形式，如反 馈控制式恒流驱动、恒流斩波驱动、定频脉宽调制驱动技术及斩波型平滑驱动 等等，它们各有特点，反馈控制式恒流驱动由于其功放管的导通与断开都不能 较迅速完成，工作在放大状态下的时间较长，故功耗大、放热多，其性能较差： 文献 1 6 1 介绍了一种实用性较强的恒流斩波驱动电路，为单极性驱动方式，它充 分利用了现有的电源电压，能够在较宽的频率范围内工作，出于不需外接限流 电阻，故使能耗大为降低，效率较高。但普通的恒流斩波驱动技术由于功放管 工作在开关状态，在高频时双极晶体管的功率开关损耗剧增，降低了电机的高 频特性，且斩波频率一般设定在1 2 k h z ，电磁噪声大，同时会对邻近的设备 造成干扰及在电机里产生附加铁损，对这方面的研究较多：文献 1 7 l q u 提出了斩 波式反馈脉冲恒流驱动技术，为单管式，结构简单，价格较低，由于采用了v m o s 场效应管，使电磁噪声显著降低；文献【1 8 】提出了一种步进电机各相同频调制斩 波驱动器，利用方波发生器产生的方波信号作为步进电机各相驱动电路调制器 的控制信号，使各相同一频率调制斩波，这样，不会由于各相绕组斩波频率不 同，电流通过各绕组问的互感与磁路非线性而出现差拍信号，同时采用v m o s 管，电流上升率极快，使电流波形明显改善，工作时无电磁噪声，交跳频率提 高，提高了步进电机高频运行能力及驱动电源效率；文献【1 9 】介绍了一种集成化 的恒流斩波驱动器( s s 4 8 0 0 1 c ) ，它仍然采用恒流斩波，而且斩波频率及脉宽 可调，可以通过外接斩波频率调整电阻r t 而有较大的调整范围，以检流电阻 和比较器组成绕组电流检测电路，以控制绕组电流维持恒定状念，本电路采用 典型的双极性桥式驱动电路，具有双极性驱动效率高、中低频特性较好及力矩 恒定等优点，出于各相斩波频率相同，故有效的抑制了因各相斩波频率不同丽 产生的差拍电磁噪声，整个驱动器集成化程度高，驱动能力强，与单片机容易 接口，且软件编程灵活，该文还介绍了智能化恒流斩波驱动控制系统的设计方 法：文献【2 0 介绍了采用8 0 9 8 单片机的脉宽调制输出的特点来控制大功率晶体 管模块g t r 的导通与关断比。从而以p w m 的形式使步进电机的绕组中电流保 第二二章步进电机的驱动电镍 持不变，改善了绕组电流波形，提高了步进电机的高频特性。 恒流斩波驱动技术虽然有许多缺点，如低速运行时由于绕组电流冲击大， 使低频产生振荡，运行不平稳，噪声大定位精度没有提高等，但由于它极大地 改善了电流波形，采用能量反馈，提高了电源效率，改善了矩频特性，故目前 困内各厂家生产使用的改造型步进电机数控系统的驱动大部分是这种类型。 2 4 步进电机细分驱动电源 这种驱动电源与前几种驱动技术不同，前几种驱动技术是从电流波形及矩 角特性等方面来改善驱动性能，没有提高步进电机的固有分辨率，而细分驱动 是从另一个角度去提高步进电机的运行性能，它针对步进电机的分辨率及精度 不高，精度与快速性相矛盾，动态中有丢步及振动、噪声大等缺点而产生的一 种比较特殊而有效的驱动控制方式。其实质是步进电机在输入脉冲切换时，只 改变相应绕组中的电流的一部分，即对相电流实施微量控制，利用各相电流的 阶梯变化产生一系列的假想的磁极对，则转子对应的每步运动也相应只是原步 距角的一部分，即达到细分的目的 2 1 1 。 近几年，国内对这种细分驱动技术的研究较多，但是尚缺乏实用化的产品， 而国外虽然有通用的步进电机细分驱动器，但还存在着许多问题，例如价格昂 贵，使步进电机的应用丧失了其低价优势，所以研制较高性价比的步进电机细 分驱动器具有很大的实际意义。 近几年提出的步进电机细分驱动电路较多，它们都分别从不同的角度提出 了步进电机细分驱动的实现方法，其基本目的是把步进电机的每一粗步进行细 分，得到较小的步距，这就要求使电机各相绕组中的电流按定的规律阶梯上 升或下降，郎分段达到相电流的额定值，然后再分段降为零，归纳起来，其实 现的方法可以分为如下几类： 1 ) 、放大型细分驱动技术 其基本思路是把等幅等宽的电压或电流方波合成而得到阶梯波，从而控制 绕组中的电流阶梯上升或下降 2 2 2 4 】，这又分为两种方法： a 、先放大再叠加，即先对等幅等宽的方波信号进行功率放大，再在电机 绕组上进行叠加而得到阶梯形电流。 b 、先叠加再放大，即先将等幅等宽的方波信号进行叠加得到阶梯形电流， 而后经功率放大再施加到电机绕组上。 2 ) 、脉宽调制( p w m ) 细分驱动 细分驱动技术中，阶梯波电流的产生很自然会想到应用脉宽调制( p w m ) 第二章步进电机的驱动电源 技术去代替放大状态的功放电路，即用p w m 脉冲的脉宽变化控制各相绕组中 的细分驱动电流 2 5 2 7 ，由于微机及集成电路技术的发展，这种驱动方式逐渐 显示出了其生命力，但是目前在实现问题上尚有许多问题需要解决，如线路复 杂。成本偏高等。 3 ) 、微机控制的步进电机细分驱动技术 由于在实现步进电机细分控制的过程中，脉冲产生电路及脉冲分配电路等 在采用分立元件实现起来较为复杂，随着微型计算机的发展，由于微机具有很 强的数字信号处理能力，这些原来很复杂的部分在用微机实现时就变得很自然 而且很简单，特别是i n t e l 公司的5 l 、9 8 等系列的单片机，由于其指令丰富， 功能强大，接口容易等优点，已逐渐被广泛应用于步进电机的细分驱动控制中 2 8 3 0 】a 利用微机实现细分的优点是；利用微机可以很容易地实现步进电机的可变 细分控制、下反转控制及加减速控制，而且电路简单，性能稳定可靠【3 1 3 4 】。 其缺点是：由于单片微机运行速度的限制，其频率不可能做的太高。但是它仍 然是目前步进电机细分技术的一种主要发展方向。 2 5 步迸电机的环形分配器 步进电机是靠电脉冲信号工作的，电脉冲信号按规定的方式分配给步进电 机的各相励磁绕组，使各相励磁绕组轮流接受脉冲信号的控制，这种功能通常 是由环形分配器来完成的。步进电机的环形分配器是连接控制电路和功率放大 电路的中间环节，这三者共同组成了步进电机的驱动电路。环形分配器的设计 方法比较多，有单独利用分立元件构成的环形分配器、有利用门电路构成的环 形分配器、有软件编程的方法构成的环形分配器 3 5 ，3 6 1 ，也有利用e p r o m 中 储存控制字的方法构成的环形分配器 3 7 ，3 8 1 ，在所有这些环形分配器的设计方 案中，分立元件构成的环形分配器由于其可靠性不高目前较少采用，而e p r o m 方法构成的环形分配器由于需占用单片机的机时，实时性不好，目前普遍采用 的是利用门电路构成的环形分配器，但其结构较复杂，设计也不灵活。在以后 的设计中，我们充分考虑了可编程逻辑阵列g a l 使用灵活的特点f 3 9 ，采用g a l 进行步进电机环形分配器的设计，即满足了其实时性的要求，又具有灵活的特 点。 2 6 小结 综上所述，在步进电机产生后的几十年里，随着控制技术及电子电路技术 第二章步进电机的驱动电源 的提高，步进电机的驱动电源也有了长足的进展，从单电压驱动直到步进电机 的细分驱动，这些电源与当时的技术条件等密切相关，它们各有自己的优缺点， 但总的来说，早期的晶体管单电压驱动己趋于淘汰，而代之以高性能的恒流或 细分驱动电源。近几年出现的步进电机恒流驱动技术，由于其极大的改善了驱 动电流波形，而且取消了单电压驱动电路中的限流电阻，使驱动性能得到了极 大提高，减少了电源功耗，在近几年研制的步进电机驱动电路中，基本上都用 了恒流驱动技术，如各种斩波电路，p w m 恒流驱动电路等。而细分驱动技术由 于它在不改变电机本体结构的前提下，使步进电机的分辨率得到提高，而且可 以减轻系统振荡，提高电机矩频特性等优点，使其在步进电机驱动技术中独树 一帜，具有很大的发展前途。另外，本章还就步进电机的环形分配器进行了简 要的分析，阐述了各种类型的环形分配器的优缺点，并进而得出利用g a 进行 环形分配器设计的新思路。 堑三兰耋童皇垫堡垫垫查丝堡丝坌堑 = = ；= = = = = = = = = = = 9 2 = = = = = ；= = = = = = = = = = ；= = = = = = = ；= = = = = = ；= = 一 第三章步进电机驱动技术的理论分析 3 1 步进电机的数学模型 为了从理论上对步进电机进行分析研究，特别是利用微机对步进电机伺服 系统进行仿真，就必须首先建立步进电机的数学模型。近几年，各种形式的步 进电机数学模型相继建立，其中以微分方程形式的数学模型最为常用。 反应式步进电机有两种类型：单段式和多段式。单段反应式步进电机各相 绕组在同一定子段上，故相与相间有磁耦合：多段反应式步进电机各相绕组绕 在分开的定子段铁心上，各相磁路彼此独立，相与相之间没有磁耦合。下面以 多段反应式步进电机为例分析步进电机的数学模型的建立。 由于步进电机的磁路饱和、涡流和磁滞效应等非线性因素的影响，步进电 机的精确的数学模型很难建立，考虑了所有因素，即使可以建立其精确模型， 但在应用时也相当繁琐，所以在建立步进电机的数学模型时，就必须采用一处 折衷方案。 在下面的分析中作如下假设： 1 ) 、忽略铁心磁滞、涡流的影响 2 ) 、各相均匀分布，气隙均匀 3 ) 、相绕组电压的通断是瞬间完成的，即控制电压为阶跃式，为恒定电压 驱动电源 4 ) 、负载是有一定惯量的干摩擦型 。 多段反应式步进电机为非共磁路，相与相之间没有互感，其特点为： a 、各相磁路相互独立，相与相之间互感为零 b 、绕组电感不是电流的函数，而只是转子位置8 的函数，是8 的余弦函数， 即： 厶= 厶嵋c * 互芦警0 ( 3 j j 式中：l k ：第k 相绕组电感 n r ：电机转子齿数 r ：步进电机相数 0 ：步进电机转子位置 1 1 ，1 2 分别为电机电感的静态分量和基频分量( h ) 所以，其电压方程为： 第三章步进电机驱动技术的理论分析 ”呦m k 峨m 电磁转矩为： m = - 等扣枷一半 ( 0 2 ) ( 3 3 利用上面的公式，经过化简之后，就可得出三相反应式步进电机的微分方程 形式的数学模型如下： 一t 一( 凡一，m 。，：s i i l ( ，a ) ) 4 ，l + c 州_ ，卅 k k 以州吐一警 “ “一t i 了而j r 一 一t * ? m ，鹤) 。 4 ，d 乳t 打) m = 去( 一i 1 。m 小s i i l 【”砷一i i i t ，小d m 扯警) 一； 一m e s 吐，- 一+ 警) 一m 一茸，m ) 其中：i a ，i b ，i c 为a ，b ，c 三相电流值( a ) v a ，v b ，v c 为a ，b ，c 三相施加电压值( v ) r a ，r b ，rc 为a ，b ，c 三相回路电阻值( q ) 0 为电机转角( t a d ) 为电机角速度( r a d s ) m l 为负载转矩( n m ) jc a ) 为电机及负载惯量( k g m 2 ) 3 2 步进电机的矩角特性 步进电机静转矩和失调角的关系称为矩角特性，矩角特性是步进电机最本 质的特性，它是指相电流不变的情况下，步进电机的静转矩与转子位置的函数， 步进电机的矩角特性曲线比较复杂，在近似的分析中一般把其视为正弦曲线。 3 2 1 步进电机的通电方式与其合成转矩的关系 三相反应式步进电机的通电方式有三种：1 相通电、1 2 相通电及2 相通电， 采用不同的通电方式，步进电机就会表现出不同的性能指标。 2 图3 i 一相励磁矩角特性 出图3 1 中可以看出，两次绕组通电之间分别相隔一个步距角的距离，而步 进电机在1 - 2 相励磁的情况下，一相励磁时，其矩角特性不变，而在两相励磁 时，转子同时受到两通电相转矩的影响，则此时的矩角特性为两通电相矩角特 性的矢量叠加，如图3 2 所示： bbb ccc ，f 礤，瓣 淤， 煞 徽_ 鲢坚， f 图3 21 - 2 相励磁矩角特性 设步进电机的矩角特性为正弦形，则可以写出步进电机各相通电时的矩角 特性表达式： t l = t k s i n e e t 2 = t k s i n ( ee + 0 、e ) ( 3 5 ) t m c = t k s i n ( 0e 十( m e 一1 ) b 、e ) 设某一时刻步进电机的通电相数为m c ，则此时的合成矩角特性为各矩角特 性的矢量和： 第三章步进电机驱动技术的理论分折 = + + 十l 。 。s i n o , + 互矗n ( 8 ，+ 成 + l + 五叫酋。+ ( 一1 ) 成) 吨等2 曲”- - 3 如- ) e ， 3 瓦i 万日n l 见一砟一1 成) 3 6 = 。b i l l f 吼一生墨0 所 式中：k m c 为合成最大转矩与单相通电最大静转矩的比例系数 矿；塾 m 5 i l i 竺竺 h = 昔 b m 一 所 由式( 3 6 ) 可以看出，对于偶数相步进电机，如六相步进电机按六相十二 拍运行时，其k m c 是变化的，两相励磁时，其k m c = 1 7 3 2 ：而三相励磁时，其 k m c = 2 ，即在通电状态切换时，其最大静转矩是变化的，这样运行可能会由于 转矩的变化而产生振动：而对于奇数相步进电机，如三相步进电机按三相六拍 方式运行时，通过计算可以看出，其k m c 值是不变的，k m c = l ，也就是说，奇 数相步进电机在半步方式运行时，其合成最大静转矩是不变的，所以，某些文 章中单凭前面的公式( 3 6 ) ，即得出半步驱动方式比整步驱动方式振动大的结 论是不全面的，相反，对于奇数相步进电机，采用半步驱动方式之后，由于其 步距角缩小一倍，提高了步进电机的分辨率，使系统的性能有了很大的提高， 所以在以后的设计中，我们均采用半步驱动方式，就是基于这个原因。 3 2 2 通电方式与步距角的关系 由前面的步进电机单相励磁时步进电机的矩角特性族可以看出，两条相邻 的矩角特性曲线之间相距一个步距角，即其稳定平衡位置相应后移一个步距角， 而对于l 一2 相励磁时，由于两相同时励磁时其矩角特性为两通电相矩角特性的 叠加，由图3 2 中可以看出，两相邻的稳定平衡位置之间的距离变为原来的l 2 ， 即步距角变小了。同样我们可以想象得出，如果在a 相或b 相中的绕组电流是 逐渐变化的，则对应的矩角特性上最大静转矩也应是逐渐变化的，经合成后， 其合成矩角特性曲线上稳定平衡点的位置也就会随着相电流的变化而发生位置 的变化。这就是细分驱动的基本思路。 第三章步进电机驱动技术的理论分析 3 3 步进电机的细分驱动技术 步进电机是一种由输入脉冲控制输出转角的机电元件，对应于一个输入脉 冲，转子转过一个固定的角度即步距角，这个特点特别适合于开环系统，但是 随着数控技术及机械工业的发展，产品对精度的要求越来越高，而采用常规的 设计方法，例如，增加定、转子齿数以获得小的步距角等，由于它们受到电机 结构等的限制，而越来越不能满足需要，这就要求采用特殊的驱动电路设计方 法来提高步进电机的运行性能，目前较常用的和比较成熟的方法是细分控制， 又称微步控制。 细分控制的实质是在步进电机各相绕组的电流切换时，代替原来的绕组电 流赢接通断的方法，采用只切换绕组电流的一部分，使对应切换相绕组中的电 流阶梯地上升到额定值或下降到零，从而产生一系列的假想的磁极对( 即新的 稳定平衡点) ，使转子对应的每步运动只为原来的一部分，而达到细分的目的。 采用细分驱动技术有许多优点； ( 1 ) 、采用细分驱动技术后，在不改变步进电机整体结构的前提下，可以 大幅度提高步进电机的步距分辨率。 ( 2 ) 、由于电机绕组中的电流变化幅度变小了，所以引起低频振荡的过冲 能量降低了，即改善了低频性能，减小了开环运动的噪声，提高了运行稳定度。 ( 3 ) 、在数控系统中，加工误差难以提高的原因很大一部分是由于减速箱 的存在，采用细分技术后，可以采用步进电机直接同丝杠相连的形式，这样可 以在很大程度上消除了由减速机构产生的回程误差及爬行等。 ( 4 ) 、采用微步驱动时，可以改善步进电机运行的矩频特性，对应的控制 频率也可相应提高。 3 3 1 细分控制原理 考虑一般情况，设步进电机共有r 相，若只有n 相同时通电，且每相的额 定电流相同，则各相矩角特性基本上按正弦分布，且幅值相同，所以步进电机 总的矩角特性可表示为： m 1 ) = m 1 + 2 + t + m 。 = 肘1 i l l 口+ m 西i l ( 口+ 口卜”叫口+ ( n l p l 碱吾如字句 ( 3 7 ) 式中：m m ：一相矩角特性的幅值 篁三童童壅皇垫堡垫堡查墼堡篁坌堑 = = = = = = = = = = = = = = = = g = = ；j = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；一 0 ：第一相定转子齿轴线问的夹角 。：相矩角，第一相定转子对齐时，第二相定转子齿轴线间的夹角( 电度 角) ，在转子齿数为n r ，自然分相时d = 2 n r r ( 机械角) = 2 r ( 电度 角) 从以上分析可以看出： ( 1 ) 、r 相电机在n 相同时通电时，合成矩角特性幅值较第一相力矩增加 了粼倍 ( 2 ) 、空载平衡点即m ( 1 ) ；o 处转过了 。e 一孚旺 步进电机各相绕组依次通电时，通常有两种方式，即：只有一相电流变化 或两相电流同时变化，文献【3 0 称之为k - k + 1 ) 一k 和k - k 通电方式，下面从矩角 特性的角度分析这两种通电方式的细分原理： 3 3 2 只有一相电流变化 在这种方式下，每一拍只有一相通电或只有一相断电，通电拍和断电拍不 同时存在，在第一拍时通电相数为n ，矩角特性如式( 3 - 7 ) ，第二拍时，通电相数 为( n + 1 ) ，矩角特性为： m ：j = ，+ 。+ 帆+ 幅1 吨= 8 1 n h 西如警) 墙 由式( 3 - 8 ) 可以看出，矩角特性除幅值变化外，其平衡位黉! 也移动了a 2 ， 即步矩角为o 2 ，在第三拍时，通电相数为n 相，则有： m ，) = 托+ + 心+ m + t j 坻訾d 如字甸 ( 39 ) 由上式可以看出，它又较第二拍移动了n 2 。 在细分控制时，在第一拍n 相通电向第二拍( n + 1 ) 相通电切换时，第( n + 1 ) 相绕组电流不是一次即达到其额定值，而是分多次即以阶梯状达到电流额定值， 每次只增加其额定电流的一部分，则第( n + 1 ) 相的矩角特性为& m m 而非m m ， 则总矩角特性为： 第三章步进电机驱动技术的理论分析 = ( m + + 以) + 峨。 。m ，十t u v l 。d n ( 占+ h 口) 用向量图表示如图3 3 所示 图3 3 一相电流变化矩角特性向量图 由图中可以看出，细分时，从m ( 1 ) 到m 、( 2 ) 的角度随m n + l 从0 增 加到m m ，m 、( 2 ) 也由m ( 1 ) 转向m ( 2 ) ，每次转过的角度b 由m n + l 的 大小及其方向来决定，利用正弦定理，可以很容易地求出转过b 角所需的 r n + 1 的幅值大小。 龇州- 哥$ 1 1 1 - - 萄 3 1 ” 由此式可以分别求出： a ) 、步距角等距细分： b ) 、电流变化相的力矩均匀变化： c ) 、合成力矩不变等三种情况下的m m 与1 3 的关系，再由电机的转矩特性 求出细分时各细分位置的对应电流值，用以控制电机达到各种细分的目 的。 这种方式的特点是： 1 ) 由于这种通电方式的步距角较k - k 通电方式时要小倍，故要达到相同 的细分步距，只用较少的细分数即可，控制线路简单，在细分控制中应 用较多。 2 ) 在这种通电方式下，较难做到步距角的均匀细分与合成力矩不变同时存 在，所以，运行的平稳性较之两相电流同时变化时要差。 3 3 3 两相电流同时变化 在这种通电方式下，每拍在有一相电流通电的同时，也有- 相电流断电， 即这种通电方式能保持通电相数不变，此即所谓的k - k 通电方式。 设第一拍通电相数为n ，则合成转矩特性如式( 3 7 ) ，在第二拍时，第( n + 1 ) 第三章步进电机驱动技术的理论分析 相导通，而第一相则断电，其合成转矩特性可表示为 朋口，2 村】+ ，+m + ， = m - ：手s i n ( 一+ 字甸 n _ ” 如i 把上式与式( 3 - 7 ) 对比可以看出，第二拍的平衡位臀较第一扪i ；q 前移动了 a 角，即步距角为n ，也就是说，这种通电方式下其步距角较上种通电方式时 要大一倍，但由式( 3 1 2 ) 可以看出，除位置变化外，其幅值即力矩值并没有变 化，即力矩保持不变。 如果在两相电流变化时，不是两相电流直接通断，而是阶梯状在0 到电 流额定值之间变化，则就可达到细分的目的。 为方便将式( 3 - 7 ) 表示为： 峨 = m + ( 蝇+ + 蝇) = 磁枷+ 以警枷堋，2 ) ( 3 1 3 ) = l s i n o + s i n ( 一+ h a l 2 ) 则第二拍的矩角特性为： 心) 2 帜+ f 蝇+ + m ) + 心， = 盯，s i n 0 + j i n ( 口+ 打口，2 ) + + ls i n ( 臼+ 开口) 3 1 4 ) 由向量图3 4 可以看出，由于在第二拍时，有两个变化的量m n + 1 和m 1 ， 故适当调整m n + l 和m l 的大小( 其相位是不变的) ，即可达到在一定细分 数1 、，的步距角的均匀细分及合成力矩不变，利用正弦及余弦定理，可以求出相 应的m n + 1 和m 1 的变化规律，与转矩特性相对比，即可得到相应的电流变 化值，用以作为控制电机细分的依据。 图3 4 两相电流变化矩角特性向量图 这种通电方式的特点是：。 1 ) 、在这种特点方式下，步距角较一相电流变化时要大一倍，故要达到相 同的细分步距，相应的细分数也要大一倍，从而控制电路也要复杂。 第二章步进电机驱动技术的理论分析 2 ) 、由于在这种通电方式下细分时，有两个变化量，故可以实现步距角均 匀细分及合成力矩不变同时存在，所以容易达到运行平稳，步距精度 较高。 3 4 细分驱动的实现 要实现细分驱动，就是要使电机各相绕组中的电流按一定的规律阶梯上 升或下降，针对这种电流波形的实现方法，国内外都有研究，从脉冲分配电路 上看，有采用硬件细分及软件细分的区别，硬件细分可由e p r o m 或g a l 来实 现，构成所谓的e + p 或g + p 细分驱动：从功率放大器上看，即从功率管的工作 状态来分，有放大型的也要采用开关式的：软件细分也有多种；从阶梯电流形 成的角度分，有采用叠加法的，有采用p w m 控制的，也有采用脉频调制( p f m ) 的随着微机技术的发展，目前大多采用与微机相结合的方法，而叠加法目前 则较少采用，下