步进电机及驱动器工作原理.docx

1、步进电机及驱动器工作原理1、步进电机是一种作为控制用的特种电机, 它的旋转是以固定的角度(称为步距角)一步一步运行的, 其特点是没有积累误差(精度为100%), 所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动, 这种装置就是步进电机驱动器, 它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移, 或者说: 控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位目的； 2、步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在10细分状

2、态时，其步距角只为电机固有步距角的十分之一，也就是说：当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.8；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了0.18 ，这就是细分的基本概念。 细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生，与电机无关。3、驱动器细分有什么优点，为什么一定建议使用细分功能？驱动器细分后的主要优点为：完全消除了电机的低频振荡。低频振荡是步进电机（尤其是反应式电机）的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果您的步进电机有时要在共振区工作（如走圆弧），选择细分驱动器是唯一的选择。提高了电机的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提

3、高约30-40% 。提高了电机的分辨率。由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，提高电机的分辨率是不言而喻的。细分 的 基 木概念为:步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了。如驱动器工作在10细分状态时，其步距角只为电机固有步距角的十分之一，也就是:当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.80;而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了0.180。细分功能完全是山驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。驱动 器 细 分后的平要优点为:完全消除了电机的低频振荡;提高了电机的输出转矩，尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约30-40%;提

4、高了电机的分辨率，山于减小了步距角、提高了步距的均匀度， 提高电机的分辨率是不言而喻的。以上这些优点，尤其是在性能卜的优点，并不是一个量的变化，而是质的匕跃。因此，在性能上的优点是细分的真正优点。细分原理当要 求 步 进电动机有更小的步距角，更高的分辨率(即脉冲当影，或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流个部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定的一部分，则电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分。这里，绕组电流不是一个方被，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，电流分成步进电机细分驱动控制器的研究多少个台阶，则转子就以同

5、样的步数转过一个步距角。这种将一个步跟角细分成若干步的驱动方法，称为细分驱动。细分驱动时绕组阶梯电流波形示意图如图2-10所示。细分 技 术 又称为微步距控制技术，是步进电动机开环控制最新技术之一，利用计算机数字处理技术和D/A转换技术，将图2Fig2-10to 绕组阶梯电流彼推图.Waveform of Winding Current各相绕组电流通过PWM控制，获得按规律改变其幅值的大小和方向，实现将步进电动机一个整步均分为若干个更细的微步。每个微步距可能是原来基本步距的数卜分之一，甚至是数百分之一。步进 电 机 的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是提高电机的运转精度，实现步进电

6、机步距角的高精度细分;其次，细分技术的附带功能是减弱或消除步进电机的低频振动。低频振荡是步进电机(尤其是反应式电机)的固有特性，而细分是消除它的唯一途径。如果步进电机有时要在共振区工作(如 走圆弧)，选择细分驱动器是唯一的选择。步进 电 机 细分驱动的本质是把对绕组的矩形电流波供电改为阶梯形电流波供电。要求绕组中的电流以若干个等幅等宽的阶梯上升到额定值，或以同样的阶梯从额定值下降到零。虽然这种驭动电源的结构比较复杂，但有如卜优点:在不改变电机内部结构的前提下，使步进电机具有更小的步距角、更高的分辨率;使电机运行平稳，减小或消除电机振荡、减小噪声。以三 相 反 应式步进电机为例，采用磁势转换图直

7、观分析细分驱动的原理。对应于半步工作方一式，状态转换(a) A-*AB图 2-1 1 合 成 磁 势 矢量 图表为A-AB-B-BC-C-CA-。如果将每相绕组电流分为四个等幅等宽的阶梯土升或下降，则将步进电机的每一步分为四步完成，即对步进电机进行四细分驱动初 始状 态 时A相通额定电流，即iA- i ,; 当第一个CP脉冲到来时，B相不是马土通额定电流，而只是通额定电流的四分之一，即ix 1/4i,，此时电机的磁势山A相的i、和B相的1/4i、合成，合成磁势情况如图2-11 (b)所示。当第二个CP脉冲到来时，A相电流不变，B相电流增大到1/2i,，以此类推。可见，上述细分使原来从A状态只需

8、一步变为需四步运行到AB，如图2-11所示。斩波恒流驱动以上 驱 动 线路所采取的多种措施，大多只有一个目的，这就是要使导通相不论在锁定、低频或高频工作时都保持额定值。斩波恒流驭动方式可较好地解决这个问题并提高步进电机的效率和力矩。斩波型驱动大体上可分为两种:一种是斩波恒流驱动，另一种是斩波平滑驱动。较一泛应用的是斩波恒流驱动，J陌流斩波功放的优点为:(I) 各 相 斩波频率相同，有效地抑制了因各相斩波频率不同而产生的噪声;(2 )斩 波 频率高，消除了H频噪声，电机运行时安静无污染;(3 )高 频 运行时电流平滑，高频性能好;步进电机细分驱动控制器的研究(4)斩波频率和脉宽可调，容易调整最佳

9、运行状态:斩 波恒 流 3a动电路的主回路由高压晶体管、电动机绕组、晶体管串联而成。与高低压驱动器不同的是，低压管发射极串联一个小的电阻接地，电动机绕组的电流经这个小电阴通地，小电阻的压降与电动机绕组电流成正比，所以这个电阻称为取样电阻。斩波 恒 流 驱动原理图如图2-8所示。Ic,和IC2分别是两个控制门，控制T 和T,两个晶体管的导通和截止。由环形分配器来的相绕组导通脉冲，送到门IC2与Ic,中，通过Ic,直接开通晶体管TL，而门IC，除环形分配器来的信号之外，还有一路信号来自比较器。比较器的两个输入端，其中之一接给定电平，另一个接来自取样电阻的电压信号。在环形分配器导通脉冲到来之前，IC

10、,和IC2都处于关门状态，输出低电平，TH和TL都截it，取样电阻中无电流流过，反馈到比较器的输入信号为零，比较器输出高电平。当环形分配器输出导通信号时，高电平使Ic，和IC:门打开，输出高电平使TH和TL两管导通，高电压经TH向电动机绕组供电。由于电动机绕组有较大电感，所以电流成指数上升，但所加电压较高，所以电流上升较快。取样电阻上的电压代表了电流的大小。当电流超过所设定值时，比较器输入的取样电压超过给定电压，比较器翻转，输出变低电平，从而IC,也输出低电平，关断高压管TH。此时磁场能量将使绕组电流按原方向继续流动，经由低压管TL,取样电阻、地线、二极管D。构成的续流回路消耗磁场的能量。此时

11、电流将按指数曲线衰减，逐渐下降。当取样电阻上得到的电压小于给定电压时，比较器又翻转回去，输出高电平，打开高压管，电源又开始向绕组供电，电流又会上升。如此反复，电动机绕组的电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波。当环形分配器输出低电平时，高低压管都截III，此时绕组的续流与高低压时相同，经D1,D2向电源泄放。泄放回路的特点与高低压马议动时基本相同。图 2一8 斩 波 恒流 驱 动 原 理 图斩 波 恒 流驱动中，由于驭动电压较高，电动机绕组回路又不串电阻，所以电流上升很决。当到达所需要的数值时，由于取样电阻反馈控制作用，绕组电流可以恒定在确定的数值卜，而且不随电动机的转速而变化

12、，从而保证在很大的频率范围内电动机都能输出陌定的转矩。在环 形 分 配器所给出的相绕组导通时间内，电源电压并不是直向绕组供电，而只是一个个的窄脉冲，总的输入能量是各脉冲时间的电压与电流乘积积分的总和，与其它几种驰动力一式比较，取自电源的能量大幅度下降。因此，这种驭动器有很高的效率。这种 驱 动 器的另一优点是减少电动机共振现象的发生。山于电动机共振的根本原因是能量过剩，而斩波恒流驱动输入的能量是自动随着绕组电流调节。能量过剩时，续流时间延长，而供电时间减小，因此可减小能量的积聚。实验线路的测试表明，用这种驱动器驱动步进电动机，低频共振现象基本消除，在任何频率下，电动机都可稳定运行。上述 斩 波

13、 恒流驱动中，斩波频率是由绕组的电感、比较器的回差等诸因素决定，没有外来的固定频率。这种斩波电路称为自激式斩波恒流电路，如果用其它办法形成固定的频率来斩波，称为他激式。恒流 斩 波 驱动方式是在专用集成电路中最常用的获得高性能的方式。通常，步进电动机使用较高电压电源，使绕组电流几乎以直线上升到预定值，由电流检测器控制一个斩波控制电路，关断这绕组的功率开关，绕组电流在续流回路中续流并下降，下降至某一设定值或经过某一规定时间后，斩波控制电路又令主功率开关接通。如此反复控制，由功率开关的反复开关对绕组电流进行斩波控制，使电流平均值趋向丁维持恒定。具体控制方法有定频PWM方法或使用单稳电路的关断定脉宽

14、方法，这种方式使步进电动机电流的大小和波形是，1控的。如果电流的基准值可以设定和控制，结合后面的内容，也就是通过可实现半步、1/4步和微步距控制。H 桥 双 极 性 驱动永磁 式 步 进电机和混合式步进电机的绕组励磁必须使用双极性供电，即励磁绕组需正反向交错通以电流，这样的绕组需要H桥双极性驱动。双极性驱动的优点除效率高以外，更重要的是可以得到最佳的中低频特性，使保持力矩恒定;同时由于驱动器集成化，使其与计算机接曰非常简单，用程序代替复杂的逻辑控制，因此控制简化易于实现。步进电机细分驱动控制器的研究H 桥 功 率集成电路包括有半桥、双半桥、四半桥、单H桥、双H桥等，功率级有达林顿晶体管的或DM

15、OS结构的。它们都有较完善的基极(或栅极)驱动电路，包括DMOS上桥臂驱动用充电泵电路，防止上下桥臂在换向时直通的连锁保护电路;还有各种对电压、电流、温度的监控保护电路，从而提高了集成电路的可靠性;它们有高开关速度，适用于开关型控制方式。H 桥 功 率开关常用于可逆直流电动机、音圈电动机、步进电动机相绕组的双极性驱动。半桥功率开关，即推挽式功率开关可用作这些电动机绕组T型驱动，或用两个半桥构成一个H全桥，三个半桥可构成一个三相逆变桥以驱动三相交流电动机。4t1f 卜啥戈_一一-乙、了布价r绕全目-I 卜图2-9_，Sl、S4开一卜S1开H桥双极性驱动Fig.2- 9 H-bridgeB ipolarD riving图2-9为H桥双极性驭动的一相电路。当要求实现步距角细分时，该方法就不能达到要求了，这时就要引入步进电机细分技术。在步 进 电 机细分驱动控制器中，恒流斩波技术和H桥驭动通常是联系在起