步进电机细分控制原理及仿真分析

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1、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 ： A= MAX cos(Nt m) MAX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 ：T A = -KT i sin(Nt m) = -KT i sin e 对 AB相 电 流 分 别 为i cos ， i sin 因 为 各 齿 相 邻 ， 最 终计 算 得 合 转 矩

2、 为 ：KT i cos（ e） 。对 e趋 于 0， 合 力 矩为 i KT。 近 似 恒 定 值 。AN B AS BS N N N NS S S S定子转子A NB A SBS N N N NS S S S定子转子A NB AS BS N N N NS S S定子转子NA NB AS BS N N N NS S S定子转子NS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

3、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

4、 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

5、 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

6、 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 。

7、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

8、 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

9、 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

10、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

11、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 增 大 。 通 过 李 沙 育 波 形 可 以 看 出 正 余 弦 和 转 矩 情 况 ， 该 情 况 下 会 出 现 较 大 周 期 性噪 声 并 影 响 结 构 寿 命 。 应 尽 可 能 避 免 这 种 情 况 发 生 在 机 械 结 构 的 共 振 点 。 电 机 控 制 看 似 简 单 ， 但 涉 及 到 极 广 泛 的 学 科 理 论 。 电 、 磁 、 场 、 材 料 、结 构 、 力 学 、 数 学 、 甚 至 半 导

12、体 特 性 想 深 入 的 进 行 理 解 并 达 到 很好 的 应 用 效 果 需 要 大 量 的 知 识 积 累 和 大 量 的 实 验 分 析 。 让 电 机 转 起 来很 容 易 ， 但 让 电 机 转 好 却 是 很 有 难 度 的 。 而 且 往 往 随 着 应 用 场 合 的 不同 ， 关 注 点 和 控 制 方 式 也 有 很 大 差 异 。 通 过 自 建 模 型 结 合 仿 真 可 以 对 电 机 控 制 有 比 较 好 的 理 解 。 因 为 接 触 电 机 控 制 时 间 不 长 ， 精 力 有 限 ， 还 没 来 得 及 深 入 。 理 解 有 误的 地 方 还 希 望 能 邮 件 指 正 或 在 个 人 网 页 留 言 。 最 近 比 较 忙 ， 这 份 笔 记 只 列 出 一 些 简 要 的 知 识 点 和 图 ， 适 合 有 一 些 理论 基 础 和 实 践 经 验 的 人 看 。 等 过 段 时 间 稍 轻 闲 一 点 的 话 会 整 理 一 份 详细 些 的 步 进 电 机 控 制 的 资 料 ， 到 时 候 会 在 个 人 网 页 里 面 发 布 。 EMAIL: 个人网页：http:/