步进电机细分控制原理和仿真分析报告.ppt

步进电机控制 －－张进东 双相四线步进电机 0.9度步进电机，定子8槽，转子为永磁体。两端N、S极各100齿错开。 步进电机简要理论 A相磁通链： ΦA= ΦMAX×cos(Ntθm) ΦMAX为磁通链最大值；为转子变位角。 转矩为磁通链对于角度的导数和电流值的乘积。 单相转矩： TA = -KT×i×sin(Ntθm) = -KT×i×sinθe 对AB相电流分别为i×cosα， i×sinα 因为各齿相邻，最终计算得合转矩为： KT×i×cos（α－θe）。 对α－θe趋于0，合力矩为i×KT。近似恒定值。 A N B A S B － － S N N N N S S S S 定子 转子 A N B A S B － － S N N N N S S S S 定子 转子 A N B A S B － － S N N N N S S S 定子 转子 N A N B A S B － － S N N N N S S S 定子 转子 N S 轮流对AB相通电，电机转子定向转动。 步进电机脉冲控制原理 传统的步进电机脉冲控制是用一对相位差90度的方波来驱动步进电机的A、B相线圈电流，以达到定向转动的目的。 以A相线圈通电超前B相90度时，方向为正。当线圈B相超前A相90度通电时，电机反方向转。控制两相线圈导通脉冲的相位就能控制步进电机的转向。每1/4周期电机行进一个步进角0.9度。通过控制脉冲的频率就可以控制电机的转速。 步进电机细分控制原理 细分控制方法是通过精确控制步进电机的A、B相电流，分别按照正余弦曲线变化。这样产生的合力矩大小恒定，径向分力极小。将1个步进角（即0.9度）分成128个微步，通过控制两相电流，可以停到其中任一个微步的位置上。图2为正向时A、B相线圈的电流波形示意图。 以X点为例，A、B相分别通以电流Ixa、Ixb时，两相线圈合力使转子可以稳定停在X点上。由于电机不是跳跃转动，相对传统控制方案，只需要较小的转矩就可以实现不丢步启动。因为要精确控制两相线圈的电流，而且电流需要换向，即存在正负两种电流，所以硬件电路设计和控制算法都比较复杂。 步进电机控制原理 A3988电机驱动芯片内部框图 1） PHASE1/2/3/4分别控制1/2/3/4线圈电流的方向。 2） VREF1/2/3/4分别控制1/2/3/4线圈电流的大小。 3） VREF1/2为一对，分别用正余弦（半波）驱动。PHASE1/2在相应VREF1/2波形的过0点切换。 步进电机仿真模型 1） 电机：使用6.8mH,内阻为2.7欧。R＋L简化模型。 2）驱动波形：以转台最高转速450度/秒为参照，考虑0.9度步进电机和1：4的机械变比，可以使用50V/500Hz交流电源，经全桥整流再分压得到一对近似的正余弦（半波）。并且产生同步的相位信号。 3）电机驱动芯片：按A3988的模块框图及行为描述进行简要的电路模型建立。为减小仿真运算量，并简化电路，全部使用快衰减方式。电流关断时间通过RC设置为与A3988一致的30us。 4）反馈回路：反馈电阻取1欧。为简化电路，省略反馈1/3分压。 步进电机仿真波形 上边蓝色为参考电平；黄色为反馈电压；紫色和绿色为电感等效串阻两端电压；红色正弦曲线是串阻两端电压差，反应出电机内实际电流。 电机速度较低时，线圈电流上升速度和下降速度都能跟上参考电平变化。电机运行平稳。 但需要注意当参考电平接近0时，有一小段范围电机里的电流为0，会导致极低速高细分时电机的短暂停顿，感觉不连贯。 可以增大反馈电平（对应增加电流或反馈电阻，但受效率及其它问题约束）；也可以进行正余弦校正，可以起到更好的效果。 步进电机仿真分析 电机速度较高时，线圈电流上升速度明显滞后于参考电平信号，导致电流变形。 电流上升期间回馈电压一直小于参考电压，所以对应的一对MOS管一直导通。减小线圈电阻值或加大电压会有改善。 电流下降期间需预防参考电压降到0点时电流无法降到0的情况。否则会导致电流未减到0而开始换向，会产生较大噪声。可以使用快衰减或适当增大线圈电阻。也可对波形进行校正。 步进电机仿真模型 步进电机仿真分析 低速情况下，电机电流变化率要求较低，电流变化能及时随参考电平信号变化，即电流是标准的正余弦形式。这样转矩大小基本恒定，电机运行平稳，噪音低。通过李沙育波形可以间接反应出正余弦和转矩情况。图形较圆，表示电机转矩大小恒定。 步进电机仿真分析 高速情况下，电机电流变化率要求较高，电流变化不能及时随参考电平信号变化，即电流是失真的正余弦形式。这样转矩大小发生规律变化，电机运行出现抖动现象，噪音