兩相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動技術(shù)演示文稿課件

1、兩相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動技術(shù)演示文稿1第1頁，共50頁。2（優(yōu)選）兩相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動技術(shù)第2頁，共50頁。三種類型的步進(jìn)電機(jī)永磁式步進(jìn)電機(jī)（Permanent magnet motors，PM)變磁阻步進(jìn)電機(jī)(Variable Reluctance，VR)或稱反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)；混合式步進(jìn)電動機(jī)(Hybrid，HB)定子繞組相數(shù)可分為兩相、三相、四相、五相等。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛。第3頁，共50頁。1. 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)電機(jī)的定子上有八個(gè)繞有線圈的鐵心磁極；八個(gè)線圈串接成A、B兩相繞組；每個(gè)定子磁極邊緣有多個(gè)小齒，一般多為五或六齒。第4頁，共50頁。轉(zhuǎn)子由兩段有齒環(huán)形轉(zhuǎn)子鐵心、裝

2、在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部的環(huán)形磁鋼及軸承、軸組成。將環(huán)形磁鋼沿軸向充磁，兩段轉(zhuǎn)子鐵心的一端呈N極性，另一端呈S極性，分別稱之為N段轉(zhuǎn)子和S段轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子鐵心的邊緣加工有小齒，一般為50個(gè)，齒距為7.2。兩段轉(zhuǎn)子的小齒相互錯(cuò)開1/2齒距。第5頁，共50頁。2. 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)工作原理定子上有四個(gè)繞有線圈的磁極（齒），相對磁極的線圈串聯(lián) 組成兩相繞組。由于同一相繞組兩個(gè)線圈繞線的方向相反，通過同一電流時(shí)所 產(chǎn) 生的磁場方向也相反。電流從相反方向流過同一相繞組產(chǎn)生的磁場方向也相反。轉(zhuǎn)子由兩段永磁體組成，一段呈N極性，一段呈S極性。每段永磁體有3個(gè)齒，齒距為120度，N極齒和S極齒彼此 錯(cuò)開1/2齒距。每轉(zhuǎn)1

3、2步的模型電機(jī)第6頁，共50頁。1）不通電狀態(tài) 在繞組不通電時(shí)，由于磁通總是沿磁阻最小的路徑通過， 磁通從N極性轉(zhuǎn)子經(jīng)定子極回到S極性轉(zhuǎn)子。由于轉(zhuǎn)子磁場的吸引作用，當(dāng)外力力圖使軸轉(zhuǎn)動時(shí)，會有一個(gè)反向力矩阻止這種轉(zhuǎn)動，稱為自鎖（detent)力矩。第7頁，共50頁。2）單四拍工作狀態(tài)初始狀態(tài)，A相通電產(chǎn)生保持力矩；B相通電，定子磁場旋轉(zhuǎn)90度，吸引轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1/4齒距（30度）；/A 相通電、 /B相、 A相通電定子磁場各旋轉(zhuǎn)90度，各吸引轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1/4齒距（30度）；4步一個(gè)循環(huán)后共轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距120度，12步后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周。每一次僅一相繞組通電，四拍一個(gè)循環(huán)，稱之為單四拍工作狀態(tài)第8頁，共50

4、頁。3）雙四拍工作狀態(tài)初始狀態(tài)， A相、B相同時(shí)通電，由于兩個(gè)定子齒的吸引，轉(zhuǎn)子移動1/8齒距15度，停在一個(gè)中間的位置；B/A相通電，定子磁場旋轉(zhuǎn)90度吸引轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1/4齒距30度； /A/B、/BA、AB各相通電，定子磁場各旋轉(zhuǎn)90度，各吸引轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1/4齒距30度；4步一個(gè)循環(huán)后共轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距120度， 12步后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周；每一次兩相繞組通電，四拍一個(gè)循環(huán)，稱之為雙四拍工作狀態(tài)因?yàn)閮蓚€(gè)線圈同時(shí)通電，產(chǎn)生的力矩比單四拍要大。 第9頁，共50頁。 4）在單四拍工作方式基礎(chǔ)上，在每兩個(gè)單拍之間插入一個(gè)雙拍工作狀態(tài)，就成為單、雙八拍工作方式。 交替使一個(gè)線圈和兩個(gè)線圈通電，每一步轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1/8

5、齒距即15度，經(jīng)過這8拍以后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距120度。旋轉(zhuǎn)一周需24步。第10頁，共50頁。單、雙八拍工作方式的缺點(diǎn)是產(chǎn)生“強(qiáng)、弱步”的現(xiàn)象，可利用的力矩被弱步力矩所限制，力矩的波動較大。為了消除“強(qiáng)、弱步”現(xiàn)象，并使電機(jī)按強(qiáng)步力矩輸出，可以在弱步時(shí)繞組通以兩倍的電流，對弱步力矩進(jìn)行補(bǔ)償。優(yōu)點(diǎn)是步距角小，電機(jī)運(yùn)行將更平穩(wěn)。第11頁，共50頁。5）微步距工作方式在雙四拍工作方式中，當(dāng)兩相繞組通以相等的電流時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子停在一個(gè)中間的位置。如果兩相繞組電流不等，轉(zhuǎn)子位置將朝電流大的定子極方向偏移。利用這個(gè)現(xiàn)象我們可使電機(jī)工作在微步距方式：將兩相繞組中的電流分別按正弦和余弦的輪廓呈階梯式變化。則每個(gè)

6、整步距就分成了若干微步距。微步距方式的步距角更小，將使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。第12頁，共50頁。一般稱單四拍和雙四拍工作方式為整步距方式；單、雙八拍工作方式為半步距方式。步進(jìn)電機(jī)中定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩： 定子磁勢IW（安匝），I為相電流，W為繞組匝數(shù)。 轉(zhuǎn)子磁勢是由轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的，它是一個(gè)常數(shù)。 所以當(dāng)定子線圈匝數(shù)、轉(zhuǎn)子磁鋼磁性能及定、轉(zhuǎn)子鐵心材料、尺寸已確定的情況下，電機(jī)產(chǎn)生的力矩由定子繞組電流決定。第13頁，共50頁。5）實(shí)際電機(jī)的工作原理 線圈1、5、3、7串聯(lián)組成A相繞組；線 圈2、6、4、8串聯(lián)組成B相繞組。 每一相四個(gè)繞組的繞線方向不同，通電 后每個(gè)繞組所在定子磁極的極

7、性不同。 假定線圈1、5所在的磁極為N極，則線 圈3、7所在的磁極為S極。第14頁，共50頁。定子磁極上有40個(gè)（或48個(gè)）齒，齒距為7.2兩段轉(zhuǎn)子鐵心上各有50小齒，齒距為7.2，但兩段轉(zhuǎn)子的小齒相互錯(cuò)開1/2齒距定子齒和轉(zhuǎn)子齒齒距相等。第15頁，共50頁。模型電機(jī)和實(shí)際電機(jī)的比較 模型電機(jī) 實(shí)際電機(jī) 轉(zhuǎn)子齒數(shù) 3 50轉(zhuǎn)子齒距 120度 7.2度整步 距 1/4齒距30度 1/4齒距1.8度半步距 1/8齒距15度 1/8齒距0.9度整步一周節(jié)拍數(shù) 12 200 半步一周節(jié)拍數(shù) 24 400 第16頁，共50頁。3. 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)接口電路用光電隔離方式將運(yùn)動控制器和驅(qū)動器連接起來，避免

8、驅(qū)動器中的大電流干擾信號經(jīng)地線竄入運(yùn)動控制器電路。環(huán)形分配器將脈沖及方向信號按設(shè)定的節(jié)拍方式，轉(zhuǎn)換為功放管的導(dǎo)通和截止信號，從而控制各相繞組的通電和斷電。功率放大器將電源功率轉(zhuǎn)換為電機(jī)輸出功率驅(qū)動負(fù)載運(yùn)動。第17頁，共50頁。驅(qū)動器的接線圖第18頁，共50頁。1）接口電路接口電路用光電隔離方式將運(yùn)動控制器和驅(qū)動器連接起來。這種隔離方式可避免驅(qū)動器中的大電流干擾信號經(jīng)地線竄入運(yùn)動控制器。運(yùn)動控制器采用開集電極方式向驅(qū)動器發(fā)送脈沖及方向信號。這是一典型的“共陽極”接法報(bào)警信號是由驅(qū)動器經(jīng)開集電極方式連接到運(yùn)動控制器中。第19頁，共50頁。2）環(huán)形分配器環(huán)形分配器將脈沖及方向信號按設(shè)定的節(jié)拍方式，轉(zhuǎn)

9、換為功放管的導(dǎo)通和截止信號，從而控制各相繞組的通電和斷電。環(huán)形分配器可由多種方式實(shí)現(xiàn)：專用集成電路；用計(jì)數(shù)器及EPROM存儲器構(gòu)成；用可編程邏輯器件寫入邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)；由單片機(jī)或DSP類器件通過軟件實(shí)現(xiàn)。第20頁，共50頁。例 一種環(huán)形分配器實(shí)現(xiàn)方案 74LS191是一種十六進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器。其輸出的數(shù)值由輸入的 脈沖個(gè)數(shù)及方向信號電平高低決定。 當(dāng)方向信號為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器做加計(jì)數(shù)。當(dāng)方向信號為高 電平時(shí)，計(jì)數(shù)器做減計(jì)數(shù)。 EPROM2716是數(shù)據(jù)存儲器，其地址由計(jì)數(shù)器輸出決定，其輸出 由存儲器內(nèi)容決定。 第21頁，共50頁。單、雙八拍運(yùn)動方式的數(shù)據(jù)表當(dāng)方向信號為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器做加法計(jì)數(shù)，EP

10、ROM按正向循環(huán)方式輸出數(shù)據(jù)表，電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)方向信號為高電平時(shí)，EPROM按反向循環(huán)方式輸出數(shù)據(jù)表，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。第22頁，共50頁。雙四拍運(yùn)行方式的數(shù)據(jù)表A4接地時(shí)，可選通00H0FH之間的十六個(gè)地址。該 地址空間存儲了循環(huán)的單、雙八拍運(yùn)動方式的數(shù)據(jù)表 A4接5V時(shí)，可選通10H1FH之間的十六個(gè)地址。該地址空間存儲了循環(huán)的雙四拍運(yùn)行方式的數(shù)據(jù)表。第23頁，共50頁。3）功率放大單電壓驅(qū)動方式由于時(shí)間常數(shù)Te=L/R的作用，相應(yīng)的平均電流減少而導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩下降。穩(wěn)態(tài)時(shí)電流由電源電壓和繞組電阻R決定，由于R比較小，電源電壓不能太高，這也限制了電流上升速度。一般加電阻Rs解決上面兩個(gè)問題，但

11、本身消耗功率太大。這種驅(qū)動線路雖然簡單、成本低，但效率太低，現(xiàn)已很少采用。第24頁，共50頁。4）功率放大恒流斬波驅(qū)動方式Usa:T1,T4導(dǎo)通;b:T4關(guān)斷，T1,D2導(dǎo)通c:T1,T2,T3,T4關(guān)斷 D3,D2導(dǎo)通d:T2,T3導(dǎo)通e:T3關(guān)斷，T2,D1導(dǎo)通f: T1,T2,T3,T4關(guān)斷 D1,D4導(dǎo)通電流值由Vg 大小決定斬波頻率由單穩(wěn)時(shí)間決定,一般20KHZ第25頁，共50頁。四只功率MOSFEF和四只續(xù)流二極管構(gòu)成H橋開關(guān)電路；每相定子繞組的兩個(gè)引出線分別與橋臂的兩個(gè)中點(diǎn)連接。顯然，需要兩個(gè)這樣的電路才能驅(qū)動一臺兩相混合式步進(jìn)電機(jī)；T1和T2是有電流測量極的MOSFET功率管，

12、 其電流經(jīng)放大后與一給定電壓Vg比較，比較的結(jié)果經(jīng)單穩(wěn)電路延遲后控制T3和T4的導(dǎo)通與截止。第26頁，共50頁。第27頁，共50頁。 特點(diǎn)電源電壓可以較高，使電流上升更快；輸出電流不受電源電壓波動影響，高效率；存在諧波，使電機(jī)、開關(guān)器件發(fā)熱；高頻噪聲對周邊設(shè)備產(chǎn)生干擾；第28頁，共50頁。位置、速度和力矩控制無論電機(jī)工作在整步距、半步距還是微步距，驅(qū)動器每輸入一個(gè)脈沖，電機(jī)運(yùn)行一個(gè)步距角。實(shí)現(xiàn)位置控制。當(dāng)驅(qū)動器輸入脈沖頻率改變時(shí)，換相節(jié)拍的速度改變， 定子磁場旋轉(zhuǎn)速度改變，實(shí)現(xiàn)速度控制。步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩取決于相電流，而相電流僅由驅(qū)動器內(nèi)部的Vg控制，一般驅(qū)動器中這個(gè)值都是固定的，因此步進(jìn)電機(jī)

13、一般不能實(shí)現(xiàn)力矩控制。第29頁，共50頁。5）微步距（細(xì)分）技術(shù)步進(jìn)電機(jī)整、半步運(yùn)行存在的問題：分辨率低低速運(yùn)動不平滑噪聲大諧振現(xiàn)象 微步距技術(shù)可以改善上述現(xiàn)象第30頁，共50頁。如何產(chǎn)生階梯波微步距？整步運(yùn)行時(shí)，繞組電流每90電角度轉(zhuǎn)過一個(gè)整步距。四細(xì)分時(shí)電流電角度為 90/4=22.5 。 以22.5的角度遞增從0到360共有16個(gè)電角度；所對應(yīng)的cos和sin值求出并整量化后作成數(shù)據(jù)表放在存儲器中。第31頁，共50頁。第32頁，共50頁。電機(jī)運(yùn)行時(shí)順次取出表中數(shù)據(jù)并送到D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端，則D/A轉(zhuǎn)換器的輸出即是階梯正弦波和余弦波。在恒流斬波電路中，繞組電流由電壓Vg控制，因此將D/A

14、轉(zhuǎn)換器的輸出加在Vg控制端就能在繞組中產(chǎn)生階梯波。D/A轉(zhuǎn)換器第33頁，共50頁。6 ) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動集成電路A3977在一片IC上集成環(huán)形分配、微步距、恒流斬波、柵極驅(qū)動、H橋功率放大、保護(hù)及診斷等功能。簡化了設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試等工作。提高了可靠性。降低了制作成本。以美國Allegro A3977芯片為例：整步、半步、4細(xì)分、8細(xì)分工作方式；內(nèi)置高端柵極驅(qū)動；內(nèi)置環(huán)形分配器；MOSFET 雙H橋恒流斬波驅(qū)動；2.5 A額定電流輸出，母線電壓最高35 V；欠電壓、輸出短路、過熱保護(hù)。第34頁，共50頁。第35頁，共50頁。兩個(gè)H橋電路直接驅(qū)動A、B兩相繞組；TRANSLATOR結(jié)合MS1、MS2

15、將STEP、DIR轉(zhuǎn)換成各工作模式要求的4位階梯電流數(shù)值（見表）；D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成階梯電壓，并將電壓與電流測量電阻上的電壓比較，輸出的信號經(jīng)延時(shí)與CONTROL LOGIC 一起控制各開關(guān)管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)恒流斬波驅(qū)動；電流值由電阻R和D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓共同決定；斬波頻率由外結(jié)電阻和電容RC1決定。第36頁，共50頁。第37頁，共50頁。第38頁，共50頁。第39頁，共50頁。整步距方式第40頁，共50頁。半步距方式第41頁，共50頁。4細(xì)分方式第42頁，共50頁。8細(xì)分方式第43頁，共50頁。4. 步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)和特性分辨率 ：每個(gè)工作節(jié)拍所對應(yīng)的電機(jī)角位移。 以二相混合式

16、步進(jìn)電機(jī)為例， 在整步方式分辨率為1.8； 在半步矩時(shí)分辨率為0.9； 在4細(xì)分時(shí)分辨率為0.45； 精度： 理論上的步距角和實(shí)際測量到的步距角之差。精度主要取決于制造和裝配的精確度：齒距加工誤差和軸承安裝偏心是影響精度的主要因素。這個(gè)誤差是非積累的。步進(jìn)電機(jī)的精度指標(biāo)是在電機(jī)空載情況下定義的。在有載情況下其精度主要由電機(jī)的矩角特性決定。第44頁，共50頁。 矩角特性 電機(jī)工作在單四拍工作方式轉(zhuǎn)子在外力矩作用下產(chǎn)生一個(gè)偏移角最大值TH即保持力矩。當(dāng)偏移角達(dá)到3.6電磁轉(zhuǎn)矩重又為零，這不是一個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。反向力矩作用下轉(zhuǎn)子將滑向下一個(gè)齒對齒狀態(tài)這種現(xiàn)象稱為“失步”=0 =1.8= 3.6第4

17、5頁，共50頁。假定電機(jī)工作在單四拍工作方式（分析結(jié)論對其它工作方式同樣適用），一相繞組通電后如果電機(jī)軸上不施加負(fù)載，則N極定子齒與S段轉(zhuǎn)子齒（或S極定子齒與N段轉(zhuǎn)子齒）成齒對齒狀態(tài)，如圖a）所示。如這時(shí)在電機(jī)軸上施加一負(fù)載力矩Tf，則轉(zhuǎn)子在外力矩作用下將產(chǎn)生一個(gè)偏移角即定子齒和轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開一個(gè)角度，如圖b）所示。定子磁極的吸引作用產(chǎn)生電磁力矩Te，且隨偏移角的增大而增大，當(dāng) 即定子和轉(zhuǎn)子錯(cuò)開1/4齒距時(shí)達(dá)到最大值TH（即保持力矩）。 再增大時(shí)，鄰近定子齒的吸引力將產(chǎn)生反向力矩使總的電磁力矩減小。此時(shí)若繼續(xù)增大負(fù)載力矩，轉(zhuǎn)子偏移角繼續(xù)增大，電磁力矩隨著反向力矩的增大而逐漸減小。當(dāng)偏移角達(dá)到3.6

18、即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/2齒距時(shí)，兩個(gè)鄰近定子齒對轉(zhuǎn)子齒產(chǎn)生的吸力作用大小相等方向相反，電磁轉(zhuǎn)矩重又為零。但這不是一個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)若撤除負(fù)載力矩，轉(zhuǎn)子將回復(fù)到 的狀態(tài)；若負(fù)載力矩再增大一點(diǎn)兒，在反向力矩作用下轉(zhuǎn)子將滑向下一個(gè)齒對齒狀態(tài)與初始狀態(tài)偏離了一個(gè)齒距即7.2的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“失步”。在失步狀態(tài)下若負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍保持不變則轉(zhuǎn)子將連續(xù)旋轉(zhuǎn)完全失去控制。第46頁，共50頁。關(guān)于步進(jìn)電機(jī)位置誤差的結(jié)論在靜態(tài)情況即電機(jī)運(yùn)動終止時(shí)，若電機(jī)軸上存在著摩擦轉(zhuǎn)矩或非平衡轉(zhuǎn)矩，為了產(chǎn)生電磁力矩以平衡這些外力矩，系統(tǒng)必然存在著靜態(tài)位置誤差。誤差的大小取決于負(fù)載力矩和電機(jī)本身的靜態(tài)剛度。同一臺電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大則誤差越大。在相同負(fù)載的情況下，電機(jī)的靜態(tài)剛度越大誤差越小。最大的位置誤差為一整步矩角（對兩相混合式步進(jìn)電來說為1.8）。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩過大使誤差超過一個(gè)整步距角，則電機(jī)將產(chǎn)生“失步”這是非正常的運(yùn)行狀態(tài)。誤差是由步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的開環(huán)結(jié)構(gòu)所決