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步进电机3-常州宝马电机戚墅堰有限公司

所在分类:东方分类信息网 > 步进电机3-常州宝马电机戚墅堰有限公司 发布时间:2021-10-02 08:27 所在地区:海南-东方
  步进电机 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个
步进电机3-常州宝马电机戚墅堰有限公司

  步进电机 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。 10 本词条 无基本信息模块, 欢迎各位 编辑词条,额外获取10个积分。基本信息

  中文名称

  步进电机

  外文名称

  stepping motor

  拼音

  [bù jìn diàn jī]

  属性

  感应电机的一种

  别称

  步进器

  工作原理

  按电磁学原理,将电能转为机械能

  目录1 定义概述2 种类划分3 节能改造4 基本原理5 基本参数6 特点特性7 测速方法8 设计思路9 相关知识10 控制例子11 优点缺点12 驱动方法13 驱动要求14 技术发展展开 1 定义概述2 种类划分3 节能改造4 基本原理4.1 反应式步进电机4.2 感应子式步进电机5 基本参数5.1 电机固有步距角5.2 步进电机的相数5.3 转矩6 特点特性6.1 主要特点6.2 主要特性6.3 驱动器的特点7 测速方法8 设计思路9 相关知识9.1 步进电机精度9.2 外表温度允许值9.3 力矩与转速成反比9.4 减轻振动和噪声的方法9.5 驱动器的细分数与精度9.6 串联接法和并联接法9.7 驱动器电源的确定9.8 脱机信号FREE使用9.9 两相步进电机转向变换10 控制例子11 优点缺点11.1 优点11.2 缺点12 驱动方法12.1 1、单电压功率驱动12.2 2、双电压功率驱动12.3 3、高低压功率驱动12.4 4、斩波恒流功率驱动12.5 5、升频升压功率驱动12.6 6、集成功率驱动13 驱动要求14 技术发展 1 定义概述

  步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱动器就是为步进电机分时供电的,多相时序控制器

  虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能像普通的直流电机,交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

  步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。

  步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。

  2 种类划分

  步进电机分三种:永磁式(PM) 、反应式(VR)和混合式(HB)。永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度 或15度;反应式步进一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大,在欧美等发达国家80年代已被淘汰;混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点,分为两相和五相,两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度,这种步进电机的应用为广泛。

  3 节能改造

  变频器对步进电机的节能改造

  三相步进电机专用变频器特点:

  ■低频转矩输出180% ,低频运行特性良好

  ■输出频率大600Hz,可控制高速电机

  ■全方位的侦测保护功能(过压、欠压、过载)瞬间停电再起动

  ■加速、减速、动转中失速防止等保护功能

  ■电机动态参数自动识别功能,保证系统的稳定性和精确性

  ■高速停机时响应快

  ■丰富灵活的输入、输出接口和控制方式,通用性强

  ■采用SMT全贴装生产及三防漆处理工艺,产品稳定度高

  ■全系列采用新西门子IGBT功率器件,确保品质的高质量

  4 基本原理

  通常电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲,电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序,电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

  4.1 反应式步进电机

  由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。

  1、结构: 电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3て、2/3て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3て,C与齿3向右错开2/3て,A'与齿5相对齐,(A'就是A,齿5就是齿1)下面是定转子的展开图:

  2、旋转: 如A相通电,B,C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)。 如B相通电,A,C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3て,此时齿3与C偏移为1/3て,齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。 如C相通电,A,B相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/3て,此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电,B,C相不通电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)移到A相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按A,B,C,A……通电,电机就每步(每脉冲)1/3て,向右旋转。如按A,C,B,A……通电,电机就反转。 由此可见:电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态,这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3て变为1/12て,1/24て,这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出:电机定子上有m相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以二、三、四、五相为多。

  3、力矩: 电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量Ф)当转子与定子错开一定角度产生力 F与(dФ/dθ)成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br为磁密,S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度,D为转子直径 Br=N·I/R N·I为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)R为磁阻。 力矩=力*半径 力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比(只考虑线性状态) 因此,电机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。

  4.2 感应子式步进电机

  1、特点

  感应子式与传统的反应式相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式某种程度上可以看作是低速同步的电机。一个四相电机可以作四相运行,也可以作二相运行。(必须采用双极电压驱动),而反应式电机则不能如此。例如:四相,八相运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=. 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致,小功率电机一般直接接为二相,而功率大一点的电机,为了方便使用,灵活改变电机的动态特点,往往将其外部接线为八根引线(四相),这样使用时,既可以作四相电机使用,可以作二相电机绕组串联或并联使用。

  2、分类

  感应子式电机以相数可分为:二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号(电机外径)可分为:42BYG(BYG为感应子式步进电机代号)、57BYG、86BYG、110BYG、(国际标准),而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。

  3、步进电机的静态指标术语

  (1)相数:产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。

  (2)拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

  (3)步距角:对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度/(转子齿数*运行拍数),以常规二、四相,转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/(50*4)=1.8度(俗称整步),八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半步)。

  (4)定位转矩:电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)

  (5)静转矩:电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比,与定齿转子间的气隙有关,但过分采用减小气隙,增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音。

  4、动态指标及术语:

  (1)步距角精度: 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示:误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同,四拍运行时应在5%之内,八拍运行时应在15%以内。

  (2)失步: 电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数。称之为失步。

  (3)失调角: 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角,由失调角产生的误差,采用细分驱动是不能解决的。

  (4)大空载起动频率: 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不加负载的情况下,能够直接起动的大频率。

  (5)大空载的运行频率: 电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机不带负载的高转速频率。

  (6)运行矩频特性: 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性,这是电机诸多动态曲线中重要的,也是电机选择的根本依据。如下图所示: 其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。 电机一旦选定,电机的静力矩确定,而动态力矩却不然,电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流(而非静态电流),平均电流越大,电机输出力矩越大,即电机的频率特性越硬。 如下图所示: 其中,曲线3电流大、或电压高;曲线1电流小、或电压低,曲线与负载的交点为负载的大速度点。 要使平均电流大,尽可能提高驱动电压,使采用小电感大电流的电机。

  (7)电机的共振点:步进电机均有固定的共振区域,二、四相感应子式的共振区一般在180-250pps之间(步距角1.8度)或在400pps左右(步距角为0.9度),电机驱动电压越高,电机电流越大,负载越轻,电机体积越小,则共振区向上偏移,反之亦然,为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低,一般工作点均应偏移共振区较多。

  (8)电机正反转控制: 当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或()时为正转,通电时序为DA-CD-BC-AB或()时为反转。

  5 基本参数 5.1 电机固有步距角

  它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°(表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°),这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。

  通常步进电机步距角β的一般计算按下式计算。

  β=360°/(Z·m·K)

  式中 β―步进电机的步距角;

  Z―转子齿数;

  m―步进电动机的相数;

  K―控制系数,是拍数与相数的比例系数

  5.2 步进电机的相数

  是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器,则‘相数’将变得没有意义,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。

  5.3 转矩

  1、HOLDING TORQUE(保持转矩)

  是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。它是步进电机重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机重要的参数之一。比如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

  2、DETENT TORQUE(无激磁保持转矩):

  是指步进电机没有通电的情况下,定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式,容易使大家产生误解;由于反应式步进电机的转子不是永磁材料,所以它没有DETENT TORQUE。

  6 特点特性 6.1 主要特点

  1.一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。

  2.步进电机外表允许的高温度。

  步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

  3.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

  当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。

  4.步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

  步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。

  步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得到应用。

  6.2 主要特性

  1 步进电机必须加驱动才可以运转, 驱动信号必须为脉冲信号,没有脉冲的时候, 步进电机静止, 如

  果加入适当的脉冲信号, 就会以一定的角度(称为步角)转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。

  2 三相步进电机的步进角度为7.5 度,一圈360 度, 需要48 个脉冲完成。

  3 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。

  4 改变脉冲的顺序, 可以方便的改变转动的方向。

  因此,目前打印机,绘图仪,机器人,等等设备都以步进电机为动力核心。

  6.3 驱动器的特点

  (1)构成步进电机驱动器系统的专用集成电路:

  A、脉冲分配器集成电路:如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。

  B、包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路:如SGS公司的L297、L6506等。

  C、只含功率驱动(或包含电流控制、保护电路)的驱动器集成电路:如日本新电元工业公司的MTD1110(四相斩波驱动)和MTD2001(两相、H桥、斩波驱动)。

  D、将脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路都包括在内的驱动控制器集成电路,如东芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042(四相)和ALLEGRO公司的UCN5804(四相)等。

  (2)“细分驱动”概述:

  将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法,称为细分驱动,细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的,与电机本身无关。其原理是,让定子通电相电流并不一次升到位,而断电相电流并不一次降为0(绕组电流波形不再是近似方波,而是N级近似阶梯波),则定子绕组电流所产生的磁场合力,会使转子有N个新的平衡位置(形成N个步距角)。

  7 测速方法

  步进电机是将脉冲信号转换为角位移或线位移。

  一是过载性好。其转速不受负载大小的影响,不像普通电机,当负载加大时就会出现速度下降的情况,步进电机使用时对速度和位置都有严格要求。

  二是控制方便。步进电机是以“步”为单位旋转的,数字特征比较明显。

  三是整机结构简单。传统的机械速度和位置控制结构比较复杂,调整困难,使用步进电机后,使得整机的结构变得简单和紧凑。 测速电机是将转速转换成电压,并传递到输入端作为反馈信号。测速电机为一种辅助型电机,在普通直流电机的尾端安装测速电机,通过测速电机所产生的电压反馈给直流电源,来达到控制直流电机转速的目的。[1]

  8 设计思路

  功能模块设计

  本模块可分为如下3个部分:

  · 单片机系统:控制步进电动机;

  · 外围电路:PIC单片机和步进电动机的接口电路;

  · PIC程序:编写单片机控制步进电功机的接口程序,实现三角波信号的输出功能。

  (1)步进电动机与单片机的接口。

  单片机是性能极佳的控制处理器,在控制步进电机工作时,接口部件必须要有下列功能。

  ①电压隔离功能。

  单片机工作在5V,而步进电机是工作在几十V,甚至更高。一旦步进电机的电压串到单片机中,就会损坏单片机;步进电机的信号会干扰单片机,也可能导致系统工作失误,因此接口器件必须有隔离功能。

  ②信息传递功能。

  接口部件应能够把单片机的控制信息传递给步进电机回路,产生工作所需的控制信息,对应于不同的工作方式,接口部件应能产生相应的工作控制波形。

  ③产生所需的不同频率。

  为了使步进电机以不同的速度工作,以适应不同的目的,接口部件应能产生不同的工作频率。

  (2)电压隔离接口。

  电压隔离接口专用于隔离低压部分的单片机和高压部分的步进电机驱动电路,以保证它们的正常工作。

  电压隔离接口可以用脉冲变压器或光电隔离器,现在基本上是采用光电隔离器。单片机输出信号可以通过TTL门电路或者直接送到晶体管的基极,再由晶体管驱动光电耦合器件的发光二极管。

  发光二极管的光照到光电耦合器件内部的光敏管上,转换成电信号,再去驱动步进电机的功率放大电路,电流放大接口是步进电机功放电路的前置放大电路。它的作用是把光电隔离器的输出信号进行电流放大,以便向功放电路提供足够大的驱动电流。

  (3)工作方式接口和频率发生器。

  用单片机控制步进电动机,需要在输入输出接口上用3条I/0线对步进电动机进行控制,这时,单片机用I/O口的RA0、RAI、RA2控制步进电动机的三相[2]。

  9 相关知识 9.1 步进电机精度

  一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。

  9.2 外表温度允许值

  步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在130摄氏度以上,有的甚至高达200摄氏度以上,所以步进电机外表温度在80-90摄氏度完全正常。

  9.3 力矩与转速成反比

  当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。

  为什么步进电机脉冲频率高于一定值就无法启动

  步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。

  9.4 减轻振动和噪声的方法

  步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点,一般可采用以下方案来克服:

  A.如步进电机正好工作在共振区,可通过改变减速比等机械传动避开共振区;

  B.采用带有细分功能的驱动器,这是常用的、简便的方法;

  C.换成步距角更小的步进电机,如三相或五相步进电机;

  D.换成交流伺服电机,几乎可以完全克服震动和噪声,但成本较高;

  E.在电机轴上加磁性阻尼器,市场上已有这种产品,但机械结构改变较大。

  9.5 驱动器的细分数与精度

  步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术(请参考有关文献),其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动,提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8°的两相混合式步进电机,如果细分驱动器的细分数设置为4,那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°,电机的精度能否达到或接近0.45°,还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大;细分数越大精度越难控制。

  9.6 串联接法和并联接法

  四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法的区别:

  四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动,因此,连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用,此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍,因而电机发热小;并联接法一般在电机转速较高的场合使用(又称高速接法),所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍,因而电机发热较大。

  9.7 驱动器电源的确定

  A.电压的确定

  混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围(比如IM483的供电电压为12~48VDC),电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快,那么电压取值也高,但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的大输入电压,否则可能损坏驱动器。

  B.电流的确定

  供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源,电源电流一般可取I的1.1~1.3倍;如果采用开关电源,电源电流一般可取I 的1.5~2.0倍。

  9.8 脱机信号FREE使用

  混合式步进电机驱动器当脱机信号FREE为低电平时,驱动器输出到电机的电流被切断,电机转子处于自由状态(脱机状态)。在有些自动化设备中,如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴(手动方式),就可以将FREE信号置低,使电机脱机,进行手动操作或调节。手动完成后,再将FREE信号置高,以继续自动控制。

  9.9 两相步进电机转向变换

  只需将电机与驱动器接线的A+和A-(或者B+和B-)对调即可。

  10 控制例子

  我们使用的单极四相步进电机为例。其结构如图1:

  四个绕组引出四相(相A1相A2相B1相B2)和两个公共线(接到电源的正极)。把绕组的某一相接到电源的地线。这样该绕组就会受到激励。我们采用四相八拍的控制方式,即1相与2相交替导通,这样可提高分辨率。每一步可转0.9°控制电机正转的励磁顺序如下表:

  若要求电机反转,将励磁信号倒过来传送即可。

  2 控制方案

  控制系统的框图如下

  本方案采用AT89S51作为主控制器件。它与AT89C51兼容,同时还增加了SPI接口和看门狗模块,这不但使程序调试变得方便而且也使程序运行更加稳定。在方案中该单片机主要实现现场信号的采集并计算出步进电机运转的方向和速度信息。然后传送给CPLD。

  CPLD采用EPM7128SLC84-15,EPM7128是可编程的大规模逻辑器件,为ALTERA公司的MAX7000系列产品。具有高阻抗、电可擦等特点,可用单元为2500个,工作电压为+5V。CPLD接收到单片机发送过来的信息后,转换成对应的控制信号输出给步进电机驱动器。驱动器则把控制信号处理后输入电机绕组,实现了电机的有效控制。

  2.1 电机驱动器硬件结构

  电机的驱动器采用如下电路:

  其中R1-R8的电阻值为320Ω。R9-R12的电阻值为2.2KΩ。Q1-Q4为达林顿管D401A,Q5-Q8为S8550。J1、J2与步进电机的六条引线相连。

  11 优点缺点 11.1 优点

  1. 电机旋转的角度正比于脉冲数;

  2. 电机停转的时候具有大的转矩(当绕组激磁时);

  3. 由于每步的精度在百分之三到百分之五,而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性;

  4. 优秀的起停和反转响应;

  5. 由于没有电刷,可靠性较高,因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命;

  6. 电机的响应仅由数字输入脉冲确定,因而可以采用开环控制,这使得电机的结构可以比较简单而且控

  制成本;

  7. 仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。

  8. 由于速度正比于脉冲频率,因而有比较宽的转速范围。

  11.2 缺点

  1. 如果控制不当容易产生共振;

  2. 难以运转到较高的转速。

  3. 难以获得较大的转矩

  4. 在体积重量方面没有优势,能源利用率低。

  5. 超过负载时会破坏同步,高速工作时会发出振动和噪声。

  12 驱动方法

  步进电动机不能

  直接接到工频交流或直流电源上工作,而必须使用专用的步进电动机驱动器,如图2所示,它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步进电动机直接耦合,也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口,这里予以简单介绍。

  12.1 1、单电压功率驱动

  实用

  电路如图3所示。在电机绕组回路中串有电阻Rs,使电机回路

  时间常数减小,高频时电机能产生较大的电磁转矩,还能缓解电机的低频共振现象,但它引起附加的损耗。一般情况下,简单单电压驱动线路中,Rs是不可缺少的。Rs对步进电动机单步响应的改善如图3(b)。

  12.2 2、双电压功率驱动

  双电压驱动的功率接口如图4所示。双电压驱动的基本思路是在较低(低频段)用较低的电压UL驱动,而在高速(高频段)时用较高的电压UH驱动。这种功率接口需要两个控制信号,Uh为高压有效控制信号,U为脉冲调宽驱动控制信号。图中,功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。当Uh低电平,TH关断,DL正偏置,低电压UL对绕组供电。反之Uh高电平,TH导通,DL反偏,高电压UH对绕组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力,而静止锁定时功耗减小。

  12.3 3、高低压功率驱动

  高低压功率驱动接口如图5所示。高低压驱动的设计思想是,不论电机

  工作频率如何,均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿,而在前沿过后,用低电压UL来维持绕组的电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能,而且不必再串联电阻Rs,消除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul,它们应保持同步,且前沿在同一时刻跳变,如图5所示。图中,高压管VTH的导通时间tl不能太大,也不能太小,太大时,电机电流过载;太小时,动态性能改善不明显。一般可取1~3ms。(当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适)。

  12.4 4、斩波恒流功率驱动

  恒流驱动的设计思想是,设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。使电机具有

  恒转矩输出特性。这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。图6是斩波恒流功率接口原理图。图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻,称为采样电阻。当电流不大时,VT1和VT2同时受控于走步脉冲,当电流超过恒流给定的数值,VT2被封锁,电源U被切除。由于电机绕组具有较大电感,此时靠二极管VD续流,维持绕组电流,电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。此时电流将按指数曲线衰减,同样电流采样值将减小。当电流小于恒流给定的数值,VT2导通,电源再次接通。如此反复,电机绕组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,如图6所示。

  斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号,其中u1是数字脉冲,u2是模拟信号。这种功率接口的特点是:高频响应大大提高,接近恒转矩输出特性,共振现象消除,但线路较复杂。目前已有相应的集成功率模块可供采用。

  12.5 5、升频升压功率驱动

  为了进一步提高驱动系统的高频响应,可采用升频升压功率驱动接口。这种接口对绕组提供的电压与电机的运行频率成线性关系。它的主回路实际上是一个开关稳压电源,利用频率-电压变换器,将驱动脉冲的频率转换成直流电平,并用此电平去控制开关稳压电源的输入,这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。

  12.6 6、集成功率驱动

  目前

  已有多种用于小功率步进电动机的集成功率驱动接口电路可供选用。

  L298芯片是一种H桥式驱动器,它设计成接受标准TTL逻辑电平信号,可用来驱动电感性负载。H桥可承受46V电压,相电流高达2.5A。L298(或XQ298,SGS298)的逻辑电路使用5V电源,功放级使用5~46V电压,下桥发射极均单独引出,以便接入电流取样电阻。L298(等)采用15脚双列直插小瓦数式封装,工业品等级。它的内部结构如图7所示。H桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方向通电。L298特别适用于对二相或四相步进电动机的驱动。

  与L298类似的电路还有TER公司的3717,它是单H桥电路。SGS公司的SG3635则是单桥臂电路,IR公司的IR2130则是三相桥电路,Allegro公司则有A2916、A3953等小功率驱动模块。

  图8是使用L297(环形分配器专用芯片)和L298构成的具有恒流斩波功能的步进电动机驱动系统。

  13 驱动要求

  (1) 能够提供较快的电流上升和下降速度,使电流波形尽量接近矩形。

  具有供截止期间释放电流流通的回路,以降低绕组两端的反电动势,加快电流衰减。

  (2) 具有较高韵功率及效率。

  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个步距角。也就是说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,就可以对电机精确调速;控制步进脉冲的个数,就可以对电机精确定位。步进电机驱动器有很多,我们应以实际的功率要求合理的选择驱动器。

  14 技术发展

  国内外对细分驱动技术的研究十分活跃,高性能的细分驱动电路,可以细分到上千甚至任意细分。目前已经能够做到通过复杂的计算使细分后的步距角均匀一致,大大提高了步进电机的脉冲分辨率,减小或消除了震荡、噪声和转矩波动,使步进电机更具有“类伺服”特性。

  对实际步距角的作用:在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己对步距角的要求。如果使用细分驱动器,则用户只需在驱动器上改变细分数,就可以大幅度改变实际步距角,步进电机的“相数”对改变实际步距角的作用几乎可以忽略不计。

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