两相混合式步进电机及其驱动技术2012

1 3 5两相混合式步进电机及其驱动技术 1 两相混合式步进电机结构2 两相混合式步进电机工作原理3 两相混合式步进电机驱动技术4 两相混合式步进电机的主要特性和技术指标 2 前面讲述的各种伺服电机必须通过闭环实现位置伺服 而步进电机在开环状态就能实现精确的位置控制 开环较之闭环有如下好处 结构简单 例如省去位置传感器及其信号处理电路 没有控制参数设计及其调试的问题 不存在稳定性问题 接线简单 3 三种类型的步进电机 永磁式步进电机 Permanentmagnetmotors PM 变磁阻步进电机 VariableReluctance VR 或称反应式步进电机 混合式步进电动机 Hybrid HB 定子绕组相数可分为两相 三相 四相 五相等 两相混合式步进电机在工业上应用最为广泛 4 1 两相混合式步进电机结构 电机的定子上有八个绕有线圈的铁心磁极 八个线圈串接成A B两相绕组 每个定子磁极边缘有多个小齿 一般多为五或六齿 5 转子由两段有齿环形转子铁心 装在转子铁心内部的环形磁钢及轴承 轴组成 将环形磁钢沿轴向充磁 两段转子铁心的一端呈N极性 另一端呈S极性 分别称之为N段转子和S段转子 转子铁心的边缘加工有小齿 一般为50个 齿距为7 2 两段转子的小齿相互错开1 2齿距 6 2 两相混合式步进电机工作原理 定子上有四个绕有线圈的磁极 齿 相对磁极的线圈串联组成两相绕组 由于同一相绕组两个线圈绕线的方向相反 通过同一电流时所产生的磁场方向也相反 电流从相反方向流过同一相绕组产生的磁场方向也相反 转子由两段永磁体组成 一段呈N极性 一段呈S极性 每段永磁体有3个齿 齿距为120度 N极齿和S极齿彼此错开1 2齿距 每转12步的模型电机 7 1 不通电状态 在绕组不通电时 由于磁通总是沿磁阻最小的路径通过 磁通从N极性转子经定子极回到S极性转子 由于转子磁场的吸引作用 当外力力图使轴转动时 会有一个反向力矩阻止这种转动 称为自锁 detent 力矩 8 2 单四拍工作状态 初始状态 A相通电产生保持力矩 B相通电 定子磁场旋转90度 吸引转子旋转1 4齿距 30度 A相通电 B相 A相通电定子磁场各旋转90度 各吸引转子旋转1 4齿距 30度 4步一个循环后共转过一个齿距120度 12步后转子旋转一周 每一次仅一相绕组通电 四拍一个循环 称之为单四拍工作状态 9 3 双四拍工作状态 初始状态 A相 B相同时通电 由于两个定子齿的吸引 转子移动1 8齿距15度 停在一个中间的位置 B A相通电 定子磁场旋转90度吸引转子旋转1 4齿距30度 A B BA AB各相通电 定子磁场各旋转90度 各吸引转子旋转1 4齿距30度 4步一个循环后共转过一个齿距120度 12步后转子旋转一周 每一次两相绕组通电 四拍一个循环 称之为双四拍工作状态因为两个线圈同时通电 产生的力矩比单四拍要大 10 4 单 双八拍工作方式 在单四拍工作方式基础上 在每两个单拍之间插入一个双拍工作状态 就成为单 双八拍工作方式 交替使一个线圈和两个线圈通电 每一步转子旋转1 8齿距即15度 经过这8拍以后 转子转过一个齿距120度 旋转一周需24步 11 单 双八拍工作方式的缺点是产生 强 弱步 的现象 可利用的力矩被弱步力矩所限制 力矩的波动较大 为了消除 强 弱步 现象 并使电机按强步力矩输出 可以在弱步时绕组通以两倍的电流 对弱步力矩进行补偿 优点是步距角小 电机运行将更平稳 12 5 微步距工作方式 在双四拍工作方式中 当两相绕组通以相等的电流时 电机转子停在一个中间的位置 如果两相绕组电流不等 转子位置将朝电流大的定子极方向偏移 利用这个现象我们可使电机工作在微步距方式 将两相绕组中的电流分别按正弦和余弦的轮廓呈阶梯式变化 则每个整步距就分成了若干微步距 微步距方式的步距角更小 将使电机运行更加平稳 13 一般称单四拍和双四拍工作方式为整步距方式 单 双八拍工作方式为半步距方式 步进电机中定子磁场和转子磁场的相互作用产生转矩 定子磁势IW 安匝 I为相电流 W为绕组匝数 转子磁势是由转子磁钢产生的 它是一个常数 所以当定子线圈匝数 转子磁钢磁性能及定 转子铁心材料 尺寸已确定的情况下 电机产生的力矩由定子绕组电流决定 14 5 实际电机的工作原理 线圈1 5 3 7串联组成A相绕组 线圈2 6 4 8串联组成B相绕组 每一相四个绕组的绕线方向不同 通电后每个绕组所在定子磁极的极性不同 假定线圈1 5所在的磁极为N极 则线圈3 7所在的磁极为S极 15 定子磁极上有40个 或48个 齿 齿距为7 2 两段转子铁心上各有50小齿 齿距为7 2 但两段转子的小齿相互错开1 2齿距定子齿和转子齿齿距相等 16 模型电机和实际电机的比较 模型电机实际电机转子齿数350转子齿距120度7 2度整步距1 4齿距30度1 4齿距1 8度半步距1 8齿距15度1 8齿距0 9度整步一周节拍数12200半步一周节拍数24400 17 3 步进电机驱动技术 接口电路用光电隔离方式将运动控制器和驱动器连接起来 避免驱动器中的大电流干扰信号经地线窜入运动控制器电路 环形分配器将脉冲及方向信号按设定的节拍方式 转换为功放管的导通和截止信号 从而控制各相绕组的通电和断电 功率放大器将电源功率转换为电机输出功率驱动负载运动 18 驱动器的接线图 19 1 接口电路 接口电路用光电隔离方式将运动控制器和驱动器连接起来 这种隔离方式可避免驱动器中的大电流干扰信号经地线窜入运动控制器 运动控制器采用开集电极方式向驱动器发送脉冲及方向信号 这是一典型的 共阳极 接法报警信号是由驱动器经开集电极方式连接到运动控制器中 20 2 环形分配器 环形分配器将脉冲及方向信号按设定的节拍方式 转换为功放管的导通和截止信号 从而控制各相绕组的通电和断电 环形分配器可由多种方式实现 专用集成电路 用计数器及EPROM存储器构成 用可编程逻辑器件写入逻辑关系实现 由单片机或DSP 类器件通过软件实现 21 例一种环形分配器实现方案 74LS191是一种十六进制可逆计数器 其输出的数值由输入的脉冲个数及方向信号电平高低决定 当方向信号为低电平时 计数器做加计数 当方向信号为高电平时 计数器做减计数 EPROM2716是数据存储器 其地址由计数器输出决定 其输出由存储器内容决定 22 单 双八拍运动方式的数据表 当方向信号为低电平时 计数器做加法计数 EPROM按正向循环方式输出数据表 电机正向旋转 当方向信号为高电平时 EPROM按反向循环方式输出数据表 电机反向旋转 23 双四拍运行方式的数据表 A4接地时 可选通00H 0FH之间的十六个地址 该地址空间存储了循环的单 双八拍运动方式的数据表A4接5V时 可选通10H 1FH之间的十六个地址 该地址空间存储了循环的双四拍运行方式的数据表 24 3 功率放大 单电压驱动方式 由于时间常数Te L R的作用 相应的平均电流减少而导致输出转矩下降 稳态时电流由电源电压和绕组电阻R决定 由于R比较小 电源电压不能太高 这也限制了电流上升速度 一般加电阻Rs解决上面两个问题 但本身消耗功率太大 这种驱动线路虽然简单 成本低 但效率太低 现已很少采用 25 4 功率放大 恒流斩波驱动方式 Us a T1 T4导通 b T4关断 T1 D2导通c T1 T2 T3 T4关断D3 D2导通d T2 T3导通e T3关断 T2 D1导通f T1 T2 T3 T4关断D1 D4导通电流值由Vg大小决定斩波频率由单稳时间决定 一般20KHZ 26 四只功率MOSFEF和四只续流二极管构成H桥开关电路 每相定子绕组的两个引出线分别与桥臂的两个中点连接 显然 需要两个这样的电路才能驱动一台两相混合式步进电机 T1和T2是有电流测量极的MOSFET功率管 其电流经放大后与一给定电压Vg比较 比较的结果经单稳电路延迟后控制T3和T4的导通与截止 4 功率放大 恒流斩波驱动方式 27 28 特点电源电压可以较高 使电流上升更快 输出电流不受电源电压波动影响 高效率 存在谐波 使电机 开关器件发热 高频噪声对周边设备产生干扰 29 位置 速度和力矩控制 无论电机工作在整步距 半步距还是微步距 驱动器每输入一个脉冲 电机运行一个步距角 实现位置控制 当驱动器输入脉冲频率改变时 换相节拍的速度改变 定子磁场旋转速度改变 实现速度控制 步进电机的输出力矩取决于相电流 而相电流仅由驱动器内部的Vg控制 一般驱动器中这个值都是固定的 因此步进电机一般不能实现力矩控制 30 5 微步距 细分 技术 步进电机整 半步运行存在的问题 分辨率低低速运动不平滑噪声大谐振现象微步距技术可以改善上述现象 31 如何产生阶梯波微步距 整步运行时 绕组电流每90 电角度转过一个整步距 四细分时电流电角度为90 4 22 5 以22 5 的角度递增从0 到360 共有16个电角度 所对应的cos和sin值求出并整量化后作成数据表放在存储器中 32 33 电机运行时顺次取出表中数据并送到D A转换器的输入端 则D A转换器的输出即是阶梯正弦波和余弦波 在恒流斩波电路中 绕组电流由电压Vg控制 因此将D A转换器的输出加在Vg控制端就能在绕组中产生阶梯波 34 4 步进电机的主要技术指标和特性 分辨率 每个工作节拍所对应的电机角位移 以二相混合式步进电机为例 在整步方式分辨率为1 8 在半步矩时分辨率为0 9 在4细分时分辨率为0 45 精度 理论上的步距角和实际测量到的步距角之差 精度主要取决于制造和装配的精确度 齿距加工误差和轴承安装偏心是影响精度的主要因素 这个误差是非积累的 步进电机的精度指标是在电机空载情况下定义的 在有载情况下其精度主要由电机的矩角特性决定 35 矩角特性 电机工作在单四拍工作方式转子在外力矩作用下产生一个偏移角最大值TH即保持力矩 当偏移角达到3 6 电磁转矩重又为零 这不是一个稳定的工作状态 反向力矩作用下转子将滑向下一个齿对齿状态这种现象称为 失步 0 1 8 3 6 36 假定电机工作在单四拍工作方式 分析结论对其它工作方式同样适用 一相绕组通电后如果电机轴上不施加负载 则N极定子齿与S段转子齿 或S极定子齿与N段转子齿 成齿对齿状态 如图a 所示 如这时在电机轴上施加一负载力矩Tf 则转子在外力矩作用下将产生一个偏移角即定子齿和转子齿错开一个角度 如图b 所示 定子磁极的吸引作用产生电磁力矩Te 且随偏移角的增大而增大 当即定子和转子错开1 4齿距时达到最大值TH 即保持力矩 再增大时 邻近定子齿的吸引力将产生反向力矩使总的电磁力矩减小 此时若继续增大负载力矩 转子偏移角继续增大 电磁力矩随着反向力矩的增大而逐渐减小 当偏移角达到3 6 即转子转过1 2齿距时 两个邻近定子齿对转子齿产生的吸力作用大小相等方向相反 电磁转矩重又为零 但这不是一个稳定的工作状态 因为此时若撤除负载力矩 转子将回复到的状态 若负载力矩再增大一点儿 在反向力矩作用下转子将滑向下一个齿对齿状态 与初始状态偏离了一个齿距即7 2 的状态 这种现象称为 失步 在失步状态下若负载转矩仍保持不变则转子将连续旋转完全失去控制 37 关于步进电机位置误差的结论 在静态情况即电机运动终止时 若电机轴上存在着摩擦转矩或非平衡转矩 为了产生电磁力矩以平衡这些外力矩 系统必然存在着静态位置误差 误差的大小取决于负载力矩和电机本身的静态刚度 同一台电机负载转矩越大则误差越大 在相同负载的情况下 电机的静态刚度越大误差越小 最大的位置误差为一整步矩角 对两相混合式步进电来说为1 8 如果负载转矩过大使误差超过一个整步距角 则电机将产生 失步 这是非正常的运行状态 误差是由步进电机系统的开环结构所决定的 38 矩频特性 矩频特性最重要的特点是电机产生的力矩随电机速度的升高而逐渐下降速度升高时力矩下降是由于定子绕组时间常数的影响 高电源电压能降低这些影响 步进电机不适宜应用在高速运动的场合 39 矩频特性最重要的特点是电机产生的力矩随电机速度的升高而逐渐下降 这样的特点决定了步进电机不适宜应用在高速运动的场合 造成这种特点的原因是 由于存在电气时间常数 电流必须经过一定的时间才能达到稳态值 在低速时 脉冲的频率较低 即脉冲宽度较宽 电流有足够的时间达到要求的电流值 随着电机转速的升高 脉冲电压的频率升高而宽度变窄 电流上升的时间成为脉冲宽度的主要部分 这意味着平均电流的减少 电机的力矩开始下降 此时 斩波器已停止工作 电流的值完全由电源电压Vcc决定 Vcc越高 电流上升的得越快 也即在一个窄脉冲内能达到较高的值 电机的输出力矩越大 综合以上的分析我们可以得出 低速时电机的力矩取决于驱动器内电流建立值Vg 而在高速时电机的力矩由电源电压决定而与电流建立值无关 40 依据矩频特性选择步进电机 步进电机没有过载能力 无论工作在加 减速还是匀速状态都必须在由矩角特性围成的可利用的区域之内 否则将引起 失步 现象 首先计算出要求电机输出的最大力矩及最高转速 外部因素可能使摩擦增大 电机的谐振也可能会消耗掉部分转矩 应提供50 左右的力矩储备 41 例一个应用系统已计算出它对电机的力矩和速度要求负载摩擦转矩Tf 1 47Nm 加速度转矩Ta 1 23Nm 最高工作转速n 900rpm 解 系统对电机最大力矩要求是Tf Ta 2 7Nm 2 7 1 5 4 05Nm 选择曲线2对应的电机可满足要求 42 起动频率与起停区 运行区 在空载情况下 不经加速就能够使转子从静止状态不失步地起动的最大控制频率称为 空载起动频率 电机只