【文章內(nèi)容簡介】 ，用戶 只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。 步進(jìn)電機(jī)的分類 通常步進(jìn)電機(jī)一般可分為永磁式步進(jìn)電機(jī) (PM Step Motor)，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) (VR Step Motor)和混合式步進(jìn)電機(jī) (Hybrid Step Motor)三類。 平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 轉(zhuǎn)子上安裝永久磁鋼的步進(jìn)電機(jī)叫做永磁式步進(jìn)電機(jī)。其定子上繞有繞組，轉(zhuǎn)子裝有磁鋼，轉(zhuǎn)子上磁鋼的極數(shù)與定子每相繞組的極數(shù)相同。當(dāng)電流從 A 端流入， O 端流出，此時(shí)，磁極 1, 3, 5, 7 分別呈現(xiàn) S, N, S, N 極性，定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用，產(chǎn)生整步 轉(zhuǎn)距，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到定子和轉(zhuǎn)子磁極間能產(chǎn)生最大吸引力的位置。當(dāng) A端斷開正脈沖信號(hào)，并且電流從 B端流入， O端流出，磁極 2, 4, 6, 8 分別呈現(xiàn) S, N, S, N極性，即定子磁場軸線沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng) 45 度 ,整步轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子也順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng) 45度 ，以保持定、轉(zhuǎn)子磁極間吸引力最大。接著 B端斷開正脈沖，并且電流從 O端流入，A 端流出，磁極 1, 3, 5, 7 分別呈現(xiàn) N, S, N, S 極性，定子磁場軸線又沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng) 45 度 ，轉(zhuǎn)子也同樣轉(zhuǎn)動(dòng) 45度 。依此類推，當(dāng)定子繞組按 A+， B+， A， B， A相 (假設(shè)電流從某相流入 電機(jī)為正，流出為負(fù) )的順序輸入脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子將按順時(shí)針方向做步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，這種通電方式稱為二相四拍，還有雙四拍工作方式，其通電順序?yàn)?：A+B+, B+A, AB, BA。 圖 21 永磁式步進(jìn)電機(jī) 一般來說，在不同的相數(shù)和極數(shù)時(shí)，步距角為 mp3600?? 式中 m 表示為拍數(shù) 。 平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 P 表示為極對(duì)數(shù) 永磁式步進(jìn)電機(jī)具有動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機(jī)精度差，步距角大 (一般為 度或 15 度 )，另外需要驅(qū)動(dòng)電源提供正，負(fù)脈沖。這使驅(qū)動(dòng)電源線路復(fù)雜化。由于以上原因，永磁式步 進(jìn)電機(jī)在需要精確定位的場合使用不多。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)又稱為磁阻式步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)中僅定子有磁性，轉(zhuǎn)子由鐵心組成，無磁性。電機(jī)轉(zhuǎn)矩是基于磁阻最小的原理產(chǎn)生的。一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)它的定子上有三對(duì)磁極，每一對(duì)磁極上繞著一相繞組，繞組通電時(shí)，這兩個(gè)磁極的極性相反繞組接成星形。轉(zhuǎn)子鐵心及定子極靴上有小齒，定轉(zhuǎn)子齒距通常相等。轉(zhuǎn)子鐵心上沒有繞組，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為 40，每一個(gè)齒距對(duì)應(yīng)的空間角度為 9360 0040 ? 當(dāng)某一相繞組通電，例如 A 相繞組通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)建立以 AA 為 軸線的磁場，由于定轉(zhuǎn)子上均有齒和槽，所以當(dāng)定轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置不同時(shí)，磁路的磁導(dǎo)也不同，定轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒處的每個(gè)極磁導(dǎo)為最大，定轉(zhuǎn)子齒對(duì)槽處的每個(gè)極磁導(dǎo)為最小。轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置是使通電相磁路的磁導(dǎo)為最大的位置，所以 A 相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子處于 A 相極下定轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒的位置。 B 相繞組的軸線，與 A 相繞組的軸線的夾角為 120 度。中間包含的齒距數(shù)為120/9=13+1/3 齒距 ，即當(dāng) A相極下定轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒時(shí)， B相磁極上定子齒的軸線，沿 ABC方向超前轉(zhuǎn)子齒的軸線 1/3 齒距 ； C 相磁極上定子齒的軸線，則沿 ABC 方向超前轉(zhuǎn)子齒的軸線 2/3 齒 距。在 A 相斷電的同時(shí)，給 B相通電，則建立以 BB 為軸線的磁場，磁場沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過了 120 度空間角。此時(shí)，轉(zhuǎn)子齒的軸線將力求與 B 相磁極上定子齒的軸線對(duì)齊，以達(dá)到穩(wěn)定平衡位置。很顯然，比起 A相通電時(shí)，即比起上圖所示的位置來，轉(zhuǎn)子沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過 1/3 齒距。 相似地在 B相斷電的同時(shí)，給 C 相通電，則建立磁場的軸線的 CC39。方向，轉(zhuǎn)子又沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過 1/3 齒距，以使 C 相極定轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒?？梢? ，在連續(xù)不斷地按 ABCA 的順序分別給各相繞組通電時(shí)，電機(jī)內(nèi)磁場的軸線沿 ABC 方向不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，且每改變通電狀態(tài)一次時(shí)，轉(zhuǎn) 過的角度為二相磁極軸線間的夾角 120 度而轉(zhuǎn)子則每次轉(zhuǎn)過 1/3 齒距，即 3 度空間角。當(dāng)定子各相輪流通電完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，磁場沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過 360平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 度空間角，轉(zhuǎn)子沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距 磁場速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的速比等于轉(zhuǎn)子齒數(shù)。若用 m 表示運(yùn)行拍數(shù)， z 表示轉(zhuǎn)子齒數(shù)，則每改變一次通電狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度的平均值即為步距角 θ ，可表示為 ： mz3600?? 可看出，拍數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)不同時(shí)，步距角不同，且步距角與拍數(shù)或轉(zhuǎn)子齒數(shù)成反比。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)是步距角小、啟動(dòng)和運(yùn)行頻率高，缺點(diǎn)是斷電時(shí)無定位 轉(zhuǎn)矩，消耗的功率比較大。 混合式步進(jìn)電機(jī)也是大家熟知的同步感應(yīng)子電機(jī)，美國習(xí)慣于將這種電機(jī)稱為永磁步進(jìn)電機(jī)，一般當(dāng)作低速同步電機(jī)用，當(dāng)相繞組正常勵(lì)磁時(shí)也有步進(jìn)能力 。 這種步進(jìn)電機(jī)通常有多相繞組，類似反應(yīng)式的。定子則與反應(yīng)式的完全一樣，只是在轉(zhuǎn)子上有永久磁鐵或者單獨(dú)的直流線圈產(chǎn)生的軸向磁場，它們的結(jié)構(gòu)分別對(duì)應(yīng)于圖 21 和 22 所示。圖中單向磁場的磁通均用虛線表示。此時(shí)，表示出了這是一臺(tái)兩相，每相 4極繞組的步進(jìn)電機(jī)。圖中轉(zhuǎn)子齒數(shù) Nr=50； 定子實(shí)際上僅 40 個(gè)齒，每極 5齒。但對(duì)于一個(gè)完整 的定子圓周應(yīng)有 48 個(gè)齒。由于嵌線需要在每個(gè)磁極上去掉一個(gè)齒。 圖 22混合步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖 一般 ， 對(duì)特定的四相步進(jìn)電機(jī)，定子繞組每相 q 個(gè)極與定子齒數(shù) Ns 和轉(zhuǎn)子齒數(shù) 平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 Nr 的關(guān)系可得到 Ns=Nr+k 圖 23混合步進(jìn)電機(jī)的剖視圖 轉(zhuǎn)子齒之一與磁極 N1 的中心線對(duì)齊，同樣也與凸極 N5對(duì)齊 ； 此時(shí)凸極 S8 和 S7 的中心齒離轉(zhuǎn)子最近為半個(gè)轉(zhuǎn)子齒距。因此，這些齒是處在磁阻最大位置上。該步進(jìn)電機(jī)具有兩段不同的轉(zhuǎn)子，且兩段轉(zhuǎn)子相 互錯(cuò)開半個(gè)轉(zhuǎn)子齒。所以，在 BB39。截面處，凸極N1 和 N5的中心齒相對(duì)于轉(zhuǎn)子齒正處在最大磁阻位置 ； 而 S3 和 S7下的齒正處在最小磁阻位置。由定子繞組產(chǎn)生交變磁通的磁路也在圖 23中表示。直流磁通和交流磁通相組合，作用在氣隙里，由于交流磁通不通過永磁 體，故無去磁效應(yīng)。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)概述 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)指的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)級(jí)用來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組的導(dǎo)通和截止，同時(shí)也是對(duì)繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制的技術(shù)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過外加控制脈沖，并按環(huán)形分配器決定的分配方式，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或 截止，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，步距角的大小有兩種 ， 即整步和半步 。 步距角由電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)確定 ， 一經(jīng)設(shè)計(jì)完成后 ，只能改變脈沖的頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速， 從而造成了使用的單一性。同時(shí)繞組電流為方波，造成很大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)給步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用帶來不少的弊病，最為顯著的就是低頻振蕩現(xiàn)象。為了改善這個(gè)問題，出現(xiàn)了一種新型驅(qū)動(dòng)方式，就是細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)。所謂細(xì) 分驅(qū)動(dòng)就是把步進(jìn)電機(jī)的一步細(xì)分為若干步， 這樣步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)近似地變?yōu)閯蛩龠\(yùn)動(dòng)，并能使它在任何位置停步，實(shí)現(xiàn)平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 微量進(jìn)給。為了減小步距角，單從電機(jī)本體來解決是有限度的，于是設(shè)法將供電的 矩形電流波改為階梯狀的電流波，這樣在輸入電流的每一個(gè)階梯時(shí)，電機(jī)的偏轉(zhuǎn)角減小，從而大大改變步進(jìn)電機(jī)的低頻特性 。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)的思想早在六十年代就已經(jīng)提出， 但由于當(dāng)時(shí)沒有低成本的集成電路和優(yōu)異的功率開關(guān)器件而未能付諸實(shí)施。七十年代后期，單片機(jī)技術(shù)日趨成熟和普及化，促進(jìn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展。隨著電流跟蹤型 PWM 控制技術(shù)的發(fā)展以及恒流斬波技術(shù)的成熟，使得以恒流斬波技術(shù)為基礎(chǔ)來控制繞組電流成階梯狀的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，從而使得電動(dòng)機(jī)的每轉(zhuǎn)步數(shù)不受電機(jī)本體結(jié)構(gòu)的限制。細(xì)分運(yùn)行方式存在多種形式，但是三相混合式步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最佳細(xì)分方式是等步距角、等轉(zhuǎn)矩的均勻細(xì)分運(yùn)行方式。均勻細(xì)分運(yùn)行方式的本質(zhì)與電機(jī)理論中圓形旋轉(zhuǎn)磁場的形成是一致的。 到目前為止，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)通常分為單電壓驅(qū)動(dòng)、單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、升頻升壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。 單電壓驅(qū)動(dòng)是指在電動(dòng)機(jī)繞組的工作過程中，只用一個(gè)方向電壓對(duì)繞組供電。它的優(yōu)點(diǎn)是線路簡單、成本低、低頻時(shí)響應(yīng)較好，缺點(diǎn)主要是存在共振區(qū)以及高頻時(shí)帶動(dòng)負(fù)載的能力迅速下降。這種驅(qū)動(dòng)方式目前很少被采用。 單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)是在單電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)為電樞繞組回路串入電阻， 用以改善電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。它提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻響應(yīng)、減少了電動(dòng)機(jī)的共振，也帶來了損耗大、效率低的缺點(diǎn)。這種驅(qū)動(dòng)方式目前主要用于小功率或啟動(dòng)、運(yùn)行頻率要求不高的場合。 高低壓驅(qū)動(dòng)是指不論電動(dòng)機(jī)的工作頻率是多少，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來提高電流的上升沿斜率，而在前沿過后采用低電壓來維持繞組的電流，即采用加大繞組電流的注入量以提高 控制力，而不是通過改善電路的時(shí)間常數(shù)來使 性能得以提高。但是使用這種驅(qū)動(dòng)方式的電機(jī)，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機(jī)的輸出力矩有 所下降。這種驅(qū)動(dòng)方式目前在實(shí)際應(yīng)用中還比較常見。 針對(duì)高低壓驅(qū)動(dòng)的缺陷，斬波恒流驅(qū)動(dòng)采用斬波技術(shù)使繞組電流在額定值上下成鋸齒波形波動(dòng)，電流繞組的有效電流相應(yīng)的增加，故電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，能基本上保持恒定，而且不需外接電阻，取樣電阻又很小，因此整個(gè)系統(tǒng)的功耗非常小，電源平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 效率較高，因而恒流斬波電路應(yīng)用相當(dāng)廣泛。這種還可以消除共振現(xiàn)象，只是線路相對(duì)復(fù)雜。 使用以上的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)的步距角只有整步工作或半步工作，步距角已由電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)確定。要想得到更小的步距角，目前只能采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)。其基本思想是每次輸入脈沖切 換時(shí)，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中額定的一部分，這樣電機(jī)的合成磁勢也只是旋轉(zhuǎn)步距角的一部分?，F(xiàn)在的高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器基本上都采用了這種驅(qū)動(dòng)技術(shù)。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)際上是直接控制繞組電流的變化來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這使得很多學(xué)者從這個(gè)思路出發(fā)尋求不同類型的步進(jìn)電機(jī)需要的最佳驅(qū)動(dòng)電流波形規(guī)律。他們所認(rèn)為混合式步進(jìn)電機(jī)繞組的最佳驅(qū)動(dòng)電流波形可近似為正弦波這就是本設(shè)計(jì)采用的驅(qū)動(dòng)方式。 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的研究現(xiàn)狀 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了很大的發(fā)展，并在實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)踐證明，步進(jìn)電機(jī)細(xì) 分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高步進(jìn)運(yùn)行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等。國內(nèi)外研究步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的文獻(xiàn)很多，分別對(duì)細(xì)分?jǐn)?shù)、均勻步距、恒轉(zhuǎn)矩、低噪音、低振動(dòng)、抗干擾等方面進(jìn)行研究，總結(jié)分析這些研究的特點(diǎn)如下 ： (1)必須產(chǎn)生真實(shí)的給定細(xì)分電壓波形，并且普遍采用可逆循環(huán)計(jì)數(shù)器對(duì) EPROM 存儲(chǔ)器進(jìn)行尋址，再經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器后輸出，利用模擬器件進(jìn)行輸出調(diào)節(jié)。對(duì)反饋電流的測量，一律使用霍爾傳感器。離線計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，求出所需的環(huán)形分配器輸出狀態(tài)表后存入 EPROM 中。此模式實(shí)際上是一種軟硬件結(jié)合的 技術(shù)，通過對(duì) EPROM 存儲(chǔ)器的軟件編程即可實(shí)現(xiàn)不同細(xì)分波形的輸出。 (2)由于步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)繞組電流與電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之間的非線性關(guān)系，很難精確的計(jì)算出來，因此都采用近似的方法。獲得近似均勻步距的細(xì)分波形的常用方法有以下三種 ： 數(shù)值插值法、近似波形法、曲線擬合法。然后經(jīng)過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)修正，最終達(dá)到近似均勻步距。 (3)通用性較弱是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的又一特點(diǎn)，各研究單位基于不同的目標(biāo)和機(jī)型開發(fā)不同的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路，一般都具有較強(qiáng)專用性， 基于功率、微步距指標(biāo)、平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 噪音指標(biāo)等參數(shù)不同要求驅(qū)動(dòng)電路不能“兼容“ 。一旦應(yīng)用指標(biāo)、電 機(jī)型號(hào)改變，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須重新設(shè)計(jì)。沒有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步降低通用性。 通過以上分析，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)理論己趨于成熟，但目前細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)仍有以下不足 ： (1)使用的器件較多，使調(diào)試復(fù)雜，系統(tǒng)占用空間較大，而且抗干擾能力差。 (2)對(duì)勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表的修正是相當(dāng)繁瑣的過程，很難實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)。 (3)通常采用單片機(jī)為控制單元，響應(yīng)速度及可靠性不太高。 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理 每給一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，即電動(dòng)機(jī)的角位移與脈沖個(gè)數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向與繞組的通電順序一致。轉(zhuǎn)速與加到步進(jìn)電機(jī)的脈沖 信號(hào)的頻率成正比，簡言之，主要控制輸入脈沖的數(shù)量，頻率以及電動(dòng)機(jī)的通電相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 從一相通電換接到另一相通電稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度成為步距角。通常通電方式有：三相單三拍，三相雙三拍， 三相六拍。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是靠給步進(jìn)電機(jī)的各相勵(lì)磁繞組輪流通以電流，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部磁場合成方向的變化來使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的。設(shè)矢量 TA ， TB ， TC 為 步進(jìn)電機(jī) A， B，C， D 四相勵(lì)磁繞組分別通電時(shí)產(chǎn)生的磁場矢量； TAB ， TBC ， TCD ， TDA 為步進(jìn)電機(jī)中 AB， BC， CD， DA 兩相同時(shí)通電產(chǎn)生的合成磁場矢量。當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)的 A， B， C，D 四相輪流通電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部磁場從 TATBTCTD，即磁場產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)。一般地，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部磁場變化一周時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，因此，步進(jìn)電機(jī)的步距角 ?b 可表示為 Nrmb ??? 式中， Nr 為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)， ?m 為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí) 兩相鄰穩(wěn)定磁場之間的夾角。它這個(gè)夾角與電機(jī)