步进电机细分驱动1.doc

4 步进电机细分驱动 4.1 步进电机的分类[31] 步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上,对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断 改良,使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的 机器中,我们很容易发现步进电机的踪迹,尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。 步进电机依其构造上的差异可分为三大类： 可变磁阻式(VR型)： 转子以软铁加工成齿状,当定子线圈不加激磁电压时,保持转矩为零,故其转子惯性小、响应性佳,但其容许负荷惯性并不大。其步进角通常为15°。 永久磁铁式(PM型)： 转子由永久磁铁构成,其磁化方向为辐向磁化,无激磁时有保持转矩。依转子材质区分,其步进角有45°、90°及7.5°、11.25°、15°、18°等几种。 混和式(HB型)： 转子由轴向磁化的磁铁制成,磁极做成复极的形式,其乃兼采可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点,精确度高、转矩大、步进角度小。 目前市场上所使用的工业用步进电机,以混和式(HB型)最为普遍。 图.1 四相可变磁阻型步进电机结构示意图 图4.1是四相可变磁阻式步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。 它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图4.1(a)中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对 准。从这个位置再对B相进行激励，如图4.1中的(b)，转子向反时针转。若是D相被激励，如图4.1中的(c)，则转子为顺时针转。我们不难算出两种情况下转过的度数为转子与定子齿距差： (4.1) 因此单向激励有两种可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15°。而四相被激励一遍后，转子转过的角度是一个转子的齿距－60°。它们之间的 相互关系，可由下式计算： 　　 (4.2) 式中：θS为步长；P为相数；N为转子齿数。 故对图.1中的步进电动机来说，步长为15°，表示电机转一圈需要24步。其他两种步进电动机的工作原理基本相同，只是结构不同而已。 步进电机的驱动是靠给步进电机的各相励磁绕组通以电流，实现步进电机内部磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。如果设矢量TA、TB、TC、TD为步进电机A、B、C、D四相励磁绕组分别通电时产生的磁场矢量；TAB、TBC、TCD、TDA是步进电机AB、BC、CD、DA两相同时通电时产生的磁场矢量。根据步进电机的工作原理可见，磁场的旋转导致了转子的转动。磁场旋转一周，转子转过一个转子齿距。那么根据通电方式的不同，步进电机的运行方式主要有以下几种： 四相八拍的工作方式相对于单四拍而言，实现了二细分。但是如果想要进一步的到更小的步进角。就必须从步进电机的原理上来考虑。如果能在磁场矢量TA和TAB之间插入多个稳定的磁场矢量，这样步进电机的步进角就会进一步变小。具体实现的方法，实际就是控制A相和B相的励磁电流变化即可。具体的细分方法主要有： 由图可见，保持TA不变，使B相的电流线性增加，这样就在TA和TAB之间插入了四个稳定合成磁场矢量。而保持TB不变，A相的电流线性减少这样就在TAB和TB之间插入了四个稳定的合成磁场矢量。如果想进一步细分可以通过控制相电流的步进值来实现。这就是“一相绕组电流线性变化”的细分驱动原理。此种方法的优点是控制电路结构简单、实现容易。缺点是磁场矢量的幅值在不断变化，并且步进角不是均匀变化的，降低了步进电机的线性定位精度，限制了步进电机在精度要求较高的场合的运用。 图4.2 一相绕组电流线性变化”细分驱动原理图 针对“一相绕组电流线性变化”的细分驱动方法的缺点，我们设想可以同时控制两相电流的大小，使得合成磁场矢量的大小不变，这同时又可以得到了相等步进角。进一步提高步进电机的步进性能。这个算法在SOPC上的实现就是本论文所要解决的主要问题。基本思路就是使得A相的电流按余弦规律变化，B相的电流按正弦规律变化。 图4.3 电流矢量恒幅均匀细分旋转”细分驱动原理图目前最常用的