两相溷合式步进电机及其驱动技术

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1 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。 2三种类型的步进电机 永磁式步进电机（ Permanent magnet motors，PM) 变磁阻步进电机 (Variable Reluctance， 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。31. 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。4 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。 52. 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61）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。72）单四拍工作状态n 初始状态， A相通电产生 保持力矩 ；n B相通电，定子磁场旋转 90度，吸引转子 旋转 1/4齿距（ 30度） ；n /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）；n 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 。n 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 83）双四拍工作状态n 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；n 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； n /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；n 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 ；n 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n 因为两个线圈同时通电， 产生的力矩比单四拍要大 。 94） n 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。 n 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。n 旋转一周需 24步。 10 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。 115）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。 12 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。135）实际电机的工作原理n 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。n 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。n 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。 14 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。15模型电机和实际电机的比较模型电机 实际电机 转子齿数 3 50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 12 200 半步一周节拍数 24 400 163. 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。17驱动器的接线图181）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。192）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：l 专用集成电路；l 用计数器及 EPROM存储器构成；l 用可编程逻辑器件写入逻辑关系实现；l 由单片机或 DSP 类器件通过软件实现。20例 一种环形分配器实现方案n 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。n 当方向信号为低电平时，计数器做加计数。当方向信号为高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。电平时，计数器做减计数。n EPROM2716是数据存储器，其地址由是数据存储器，其地址由 计数器输出决定，其输计数器输出决定，其输出出由存储器内容决定。由存储器内容决定。n 21单、双八拍运动方式的数据表n 当方向信号为低电平时，计数当方向信号为低电平时，计数器做加法计数，器做加法计数， EPROM按正按正向循环方式输出数据表，电机向循环方式输出数据表，电机正向旋转；正向旋转；n 当方向信号为高电平时，当方向信号为高电平时，EPROM按反向循环方式输出按反向循环方式输出数据表，电机反向旋转。数据表，电机反向旋转。 22双四拍运行方式的数据表nA4接地时，可选通 00H0FH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n A4接 5V时，可选通 10H1FH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 。233）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。244）功率放大 恒流斩波驱动方式Usna:T1,T4导通 ;nb:T4关断， T1,D2导通nc:T1,T2,T3,T4关断 D3,D2导通nd:T2,T3导通ne:T3关断， T2,D1导通nf: T1,T2,T3,T4关断 D1,D4导通n电流值由 Vg 大小决定大小决定n斩波频率由单稳时间决定 ,一般 20KHZ25 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。2627特点n 电源电压可以较高，使电流上升更快；n 输出电流不受电源电压波动影响，n 高效率；n 存在谐波，使电机、开关器件发热；n 高频噪声对周边设备产生干扰； 28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