兩相混合步進(jìn)電機(jī)電流矢量細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理024-31585354
　　通過(guò)兩相混合步進(jìn)電機(jī)兩個(gè)線(xiàn)圈的電流相位差90°，如果分別輸入相位差90°的正弦波形，可實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)。通過(guò)線(xiàn)圈的空間矢量電流ia,ib隨角度變化時(shí)，其合成的電流矢量幅值恒定，且也隨著變化相應(yīng)的角度。這樣采用細(xì)分后，各相電流階梯變化，并按照正弦和余弦規(guī)律變化，使合成的電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)，電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)恒力矩、均勻步距角細(xì)分驅(qū)動(dòng)。如果對(duì)繞組電流細(xì)分劃分的足夠細(xì)，可實(shí)現(xiàn)較jq的微步控制。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其主要優(yōu)點(diǎn)是有較高的定位精度，無(wú)位置累積誤差；特有的開(kāi)環(huán)運(yùn)行機(jī)制，與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比降低了系統(tǒng)成本，提高了可靠性，在數(shù)控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)、噪聲大，在步進(jìn)電機(jī)的自然振蕩頻率附近運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生共振，且輸出轉(zhuǎn)矩隨著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高而下降，這些缺點(diǎn)限制了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍。步進(jìn)電機(jī)的性能在很大程度上取決于所用的驅(qū)動(dòng)器，改善驅(qū)動(dòng)器的性能，可以顯著地提高步進(jìn)電機(jī)的性能，因此研制高性能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一項(xiàng)普遍關(guān)注的課題。

1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)概述：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)控制、步進(jìn)電機(jī)控制

    通常情況下，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由3部分構(gòu)成：
    ①控制電路。用于產(chǎn)生脈沖，控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向。
    ②驅(qū)動(dòng)電路。即本文的研究?jī)?nèi)容，由圖1所示的脈沖信號(hào)分配和功率驅(qū)動(dòng)電路組成。根據(jù)控制器輸入的脈沖和方向信號(hào)，為步進(jìn)電機(jī)各繞組提供正確的通電順序，以及電機(jī)需要的高電壓、大電流；同時(shí)提供各種保護(hù)措施，比如過(guò)流、過(guò)熱等。
    ③步進(jìn)電機(jī)。控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)負(fù)載。

2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法的比較：機(jī)械雕刻機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、打標(biāo)機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
2．1 恒電壓驅(qū)動(dòng)方式：步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)馬達(dá)控制、步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)
2．1．1 單電壓驅(qū)動(dòng)：雕刻機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、三相混合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
    單電壓驅(qū)動(dòng)是指在電機(jī)繞組工作過(guò)程中，只用一個(gè)方向電壓對(duì)繞組供電。如圖2所示，L為電機(jī)繞組，VCC為電源。當(dāng)輸入信號(hào)In為高電平時(shí)，提供足夠大的基極電流使三極管T處于飽和狀態(tài)，若忽略其飽和壓降，則電源電壓全部作用在電機(jī)繞組上。當(dāng)In為低電平時(shí)，三極管截止，繞組無(wú)電流通過(guò)。

電流提供一個(gè)泄放回路，也稱(chēng)“續(xù)流回路”。
    單電壓功率驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入電阻后，功耗加大，整個(gè)功率驅(qū)動(dòng)電路的效率較低，僅適合于驅(qū)動(dòng)小功率步進(jìn)電機(jī)。
2．1．2 高低壓驅(qū)動(dòng)
    為了使通電時(shí)繞組能迅速到達(dá)設(shè)定電流，關(guān)斷時(shí)繞組電流迅速衰減為零，同時(shí)又具有較高的效率，出現(xiàn)了高低壓驅(qū)動(dòng)方式。
    如圖3所示，Th、T1分別為高壓管和低壓管，Vh、V1分別為高低壓電源，Ih、I1分別為高低端的脈沖信號(hào)。在導(dǎo)通前沿用高電壓供電來(lái)提高電流的前沿上升率，而在前沿過(guò)后用低電壓來(lái)維持繞組的電流。高低壓驅(qū)動(dòng)可獲得較好的高頻特性，但是由于高壓管的導(dǎo)通時(shí)間不變，在低頻時(shí)，繞組獲得了過(guò)多的能量，容易引起振蕩。可通過(guò)改變其高壓管導(dǎo)通時(shí)間來(lái)解決低頻振蕩問(wèn)題，然而其控制電路較單電壓復(fù)雜，可靠性降低，一旦高壓管失控，將會(huì)因電流太大損壞電機(jī)。
2．2 恒電流斬波驅(qū)動(dòng)方式：刻字機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、噴繪機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
2．2．1 自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)：線(xiàn)切割步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、寫(xiě)真機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
    圖4為自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)框圖。把步進(jìn)電機(jī)繞組電流值轉(zhuǎn)化為一定比例的電壓，與D／A轉(zhuǎn)換器輸出的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，控制功率管的開(kāi)關(guān)，從而達(dá)到控制繞組相電流的目的。從理論上講，自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)可以將電機(jī)繞組的電流控制在某一恒定值。但由于斬波頻率是可變的，會(huì)使繞組激起很高的浪涌電壓，因而對(duì)控制電路產(chǎn)生很大的干擾，容易產(chǎn)生振蕩，可靠性大大降低。

2．2．2 它激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)：包裝機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、印刷機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
    為了解決自激式斬波頻率可變引起的浪涌電壓?jiǎn)栴}，可在D觸發(fā)器加一個(gè)固定頻率的時(shí)鐘。這樣基本上能解決振蕩問(wèn)題，但仍然存在一些問(wèn)題。比如：當(dāng)比較器輸出的導(dǎo)tm沖剛好介于D觸發(fā)器的2個(gè)時(shí)鐘上升沿之間時(shí)，該控制信號(hào)將丟失，一般可通過(guò)加大D觸發(fā)器時(shí)鐘頻率解決。
2．3 細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式：步進(jìn)電機(jī)細(xì)分、步進(jìn)電機(jī)電路、步進(jìn)電機(jī)控制卡、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器
    這是本文討論的重點(diǎn)，也是該系統(tǒng)采用的驅(qū)動(dòng)方法。細(xì)分驅(qū)動(dòng)最主要的優(yōu)點(diǎn)是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機(jī)的定位精度、啟動(dòng)性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩；其次，減弱或xc了步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，降低了步進(jìn)電機(jī)在共振區(qū)工作的幾率。可以說(shuō)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的一個(gè)飛躍。
    細(xì)分驅(qū)動(dòng)是指在每次脈沖切換時(shí)，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，電動(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，繞組電流不是一個(gè)方波而是階梯波，額定電流是臺(tái)階式的投入或切除。比如：電流分成n個(gè)臺(tái)階，轉(zhuǎn)子則需要n次才轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，即n細(xì)分，如圖5所示。

一般的細(xì)分方法只改變某一相的電流，另一相電流保持不變。如圖5所示，在O°～45°，Ia保持不變，Ib由O逐級(jí)變大；在45°～90°，Ib保持不變，Ia由額定值逐級(jí)變?yōu)?。該方法的優(yōu)點(diǎn)是控制較為簡(jiǎn)單，在硬件上容易實(shí)現(xiàn)；但由圖6所示的電流矢量合成圖可知，所合成的矢量幅值是不斷變化的，輸出力矩也跟著不斷變化，從而引起滯后角的不斷變化。當(dāng)細(xì)分?jǐn)?shù)很大、微步距角非常小時(shí)，滯后角變化的差值已大于所要求細(xì)分的微步距角，使得細(xì)分實(shí)際上失去了意義。
    這就是目前常用的細(xì)分方法的缺陷，那么有沒(méi)有一種方法讓矢量角度變化時(shí)同時(shí)保持幅值不變呢?由上面分析可知，只改變單一相電流是不可能的，那么同時(shí)改變兩相電流呢?即Ia、Ib以某一數(shù)學(xué)關(guān)系同時(shí)變化，保證變化過(guò)程中合成矢量幅值始終不變。基于此，本文建立一種“額定電流可調(diào)的等角度恒力矩細(xì)分”驅(qū)動(dòng)方法，以xc力距不斷變化引起滯后角的問(wèn)題。如圖7所示，隨著A、B兩相相電流Ia、Ib的合成矢量角度不斷變化，其幅值始終為圓的半徑。

步進(jìn)電機(jī)速度

步進(jìn)電機(jī)價(jià)格

步進(jìn)電機(jī)扭距 

打標(biāo)機(jī)步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家 

步進(jìn)電機(jī)廠(chǎng) 

步進(jìn)電機(jī)調(diào)速

pm步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)原理 

刻字機(jī)步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)原理圖   

步進(jìn)電機(jī)報(bào)價(jià)

步進(jìn)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

步進(jìn)電機(jī)求購(gòu)

步進(jìn)電機(jī)型號(hào) 

噴繪機(jī)步進(jìn)電機(jī)

三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)

步進(jìn)電機(jī)尺寸

智能步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)功率 

線(xiàn)切割步進(jìn)電機(jī)

怠速步進(jìn)電機(jī)     

步進(jìn)電機(jī)供應(yīng)

4相步進(jìn)電機(jī)

微步進(jìn)電機(jī) 

步進(jìn)電機(jī)分類(lèi) 

寫(xiě)真機(jī)步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)減速器   

購(gòu)買(mǎi)步進(jìn)電機(jī)

混合步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)步距角

包裝機(jī)步進(jìn)電機(jī)

4相步進(jìn)電機(jī)     

步進(jìn)電機(jī)廠(chǎng)家

步進(jìn)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

步進(jìn)電機(jī)尺寸

步進(jìn)電機(jī)速度 

印刷機(jī)步進(jìn)電機(jī)

三相六拍步進(jìn)電機(jī) 

步進(jìn)電機(jī)公司

日本步進(jìn)電機(jī)

品牌步進(jìn)電機(jī)

大功率步進(jìn)電機(jī)

植毛機(jī)步進(jìn)電機(jī)

磁阻式步進(jìn)電機(jī)   

進(jìn)口步進(jìn)馬達(dá)

德國(guó)步進(jìn)電機(jī)

防爆步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)電路圖

紡織機(jī)步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)式電機(jī)       

步進(jìn)電機(jī)廠(chǎng)商

    單片機(jī)根據(jù)收到的脈沖信號(hào)進(jìn)行脈沖信號(hào)分配，確定各相通電順序，并與CPLD里面的D觸發(fā)器相連；同時(shí)根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的電流值和細(xì)分?jǐn)?shù)通過(guò)SPI口與D／A轉(zhuǎn)換器AD5623通信，得到設(shè)定的電流值(實(shí)際上是電流對(duì)應(yīng)的電壓值)。
    AD5623輸出的值為期望的電流對(duì)應(yīng)的電壓值，它必須與從功率模塊檢測(cè)得到的電流對(duì)應(yīng)的電壓值進(jìn)行比較，并把比較結(jié)果與CPLD里面的D觸發(fā)器CLR引腳相連。
    CPLD與電流、細(xì)分設(shè)定的撥碼開(kāi)關(guān)相連，把得到的值通過(guò)SPI口傳給單片機(jī)；以D觸發(fā)器為核心的控制邏輯，根據(jù)單片機(jī)的各相通電順序和比較器MAX907的比較結(jié)果確定各功率管的開(kāi)關(guān)。
   功率驅(qū)動(dòng)模塊直接與電機(jī)相連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。采用8個(gè)MOS管IRF740構(gòu)成2個(gè)H橋雙極型驅(qū)動(dòng)電路。IRF740{zg}可承受400 V電壓和10 A電流，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間不會(huì)超過(guò)51 ns，管子導(dǎo)通電壓Vgs的取值范圍為4～20 V。
3．2 細(xì)分關(guān)鍵技術(shù)方案
    “額定電流可調(diào)的等角度恒力矩細(xì)分”驅(qū)動(dòng)方法的實(shí)質(zhì)是恒流控制，關(guān)鍵是電流的jq控制，必須同時(shí)滿(mǎn)足以下各個(gè)條件：

    ①D／A轉(zhuǎn)換器輸出的電流值必須與期望值相當(dāng)接近，而且轉(zhuǎn)換速度要快。該系統(tǒng)采用ADI公司的AD5623，12位精度，分成4 096個(gè)等級(jí)，滿(mǎn)足了200細(xì)分的高精度要求；2路D／A輸出滿(mǎn)足兩相的要求；SPI口通信，頻率高達(dá)50 MHz，建立時(shí)間快，同時(shí)單電壓供電，連接簡(jiǎn)單。
    ②檢測(cè)到的電流必須能正確地反映此時(shí)的相電流。由于電機(jī)的相電流通常很大，電壓很高，檢測(cè)有一定的難度。常用的檢測(cè)方法有外接標(biāo)準(zhǔn)小電阻，電路簡(jiǎn)單，但干擾比較大，準(zhǔn)確性比較差；霍爾傳感器檢測(cè)準(zhǔn)確，干擾小，連接也不復(fù)雜，所以該驅(qū)動(dòng)器采用霍爾傳感器。
    ③比較器分辨率要高，轉(zhuǎn)換速度快。MAX907的建立時(shí)間只需12 ns，比較的電壓只要相差2 mV即可檢測(cè)出來(lái)({zd0}不超過(guò)4 mV)，反應(yīng)非常靈敏。
    ④控制功率管開(kāi)關(guān)的邏輯電路要有很高的實(shí)時(shí)性，保證相電流在設(shè)定電流上下做很小的波動(dòng)，以免引起浪涌，干擾控制電路。
    本文采用Xilinx公司的CPLD芯片XC9572。以D觸發(fā)器為核心的控制電路全部由CPLD完成，CPLD代替了各種分立元器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連接方便。圖9是控制電路的邏輯圖。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器價(jià)格

氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

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