两相混合式步进电机及其驱动技术

一般称单四拍和双四拍工作方式为整步距方式； 单、双八拍工作方式为半步距方式 半步距方式。 半步距方式 步进电机中定子磁场和转子磁场的相互作用产生 转矩： 定子磁势IW（安匝），I为相电流，W为绕组匝 数。 转子磁势是由转子磁钢产生的，它是一个常数。 所以当定子线圈匝数、转子磁钢磁性能及定、 转子铁心材料、尺寸已确定的情况下，电机产生 的力矩由定子绕组电流决定。
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ia
A AB B BA A AB B BA
ia
A AB B BA A AB B BA
ib
ib
单、双八拍工作方式的缺点是产生“强、弱步”的现象， 可利用的力矩被弱步力矩所限制，力矩的波动较大。 为了消除“强、弱步”现象，并使电机按强步力矩输出， 可以在弱步时绕组通以两倍的电流，对弱步力矩进行补偿。 优点是步距角小，电机运行将更平稳。
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5）微步距（细分）技术 ）微步距（细分）
步进电机整、半步运行存在的问题： 分辨率低 低速运动不平滑 噪声大 谐振现象 微步距技术可以改善上述现象
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如何产生阶梯波微步距？ 如何产生阶梯波微步距？
ia
AB
BA
AB
BA
ib
整步运行时，绕组电流每90°电角度转过一个整步距。 四细分时电流电角度为 90/4=22.5 °。 以22.5°的角 度递增从0°到360°共有16个电角度；所对应的cos和 31 sin值求出并整量化后作成数据表放在存储器中。
驱动器的接线图
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1）接口电路 ）
接口电路用光电隔离方式 将运动控制器和驱动器连 接起来。 这种隔离方式可避免驱动 器中的大电流干扰信号经 地线窜入运动控制器。 运动控制器采用开集电极 方式向驱动器发送脉冲及 方向信号。这是一典型的 “共阳极”接法 报警信号是由驱动器经开 集电极方式连接到运动控 制器中。
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5）实际电机的工作原理 ）
• • • • • • • •
A
B
线圈1、5、3、7串联组成A相绕组；线 圈2、6、4、8串联组成B相绕组。 每一相四个绕组的绕线方向不同，通电 后每个绕组所在定子磁极的极性不同。 假定线圈1、5所在的磁极为N极，则线 圈3、7所在的磁极为S极。 14
定子磁极上有40个（或48个）齿，齿距为7.2° 两段转子铁心上各有50小齿，齿距为7.2°，但两 段转子的小齿相互错开1/2齿距 定子齿和转子齿齿距相等。。
双四拍运行方式的数据表
74LS191 脉冲 CP 方向 A/D QA QB QC QD 5V
EPROM2716 A0 A1 D1 A2 A3 D2 D3 A4 D0
uB uA uB
uA
A4接地时，可选通00H~0FH之 间的十六个地址。该 地址空间存 储了循环的单、双八拍运动方式 的数据表 A4接5V时，可选通10H~1FH 之间的十六个地址。该地址空间 存储了循环的双四拍运行方式的 23 数据表。
3）双四拍工作状态 ）
ia
AB
BA
AB
BA
ib
AB → BA → AB → BA
初始状态， A相、B相同时通电，由于两个定子齿的吸引，转子 移动1/8齿距15度，停在一个中间的位置； B/A相通电，定子磁场旋转90度吸引转子旋转1/4齿距30度； /A/B、/BA、AB各相通电，定子磁场各旋转90度，各吸引转子 旋转1/4齿距30度； 4步一个循环后共转过一个齿距120度， 12步后转子旋转一周； 每一次两相绕组通电，四拍一个循环，称之为双四拍工作状态9 双四拍工作状态 因为两个线圈同时通电，产生的力矩比单四拍要大。 •
3）功率放大—单电压驱动方式
由于时间常数Te=L/R的作用，相应的平均电流减少而导 致输出转矩下降。 稳态时电流由电源电压和绕组电阻R决定，由于R比较小， 电源电压不能太高，这也限制了电流上升速度。 一般加电阻Rs解决上面两个问题，但本身消耗功率太大。 这种驱动线路虽然简单、成本低，但效率太低，现已很少 24 采用。
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T1 D1 D2
A
T2
D/A转换器
T3
A
T4
D3
Vi
Vg
D4
电机运行时顺次取出表中数据并送到D/A转换器的输入端， 则D/A转换器的输出即是阶梯正弦波和余弦波。 在恒流斩波电路中，绕组电流由电压Vg控制，因此将D/A 转换器的输出加在Vg控制端就能在绕组中产生阶梯波。
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6 ) 步进电机驱动集成电路 步进电机驱动集成电路A3977
四只功率MOSFEF和四只续流二极管构成 H桥开关电路； 每相定子绕组的两个引出线分别与桥臂的 两个中点连接。显然，需要两个这样的电 路才能驱动一台两相混合式步进电机； T1和T2是有电流测量极的MOSFET功率管， 其电流经放大后与一给定电压Vg比较，比 较的结果经单稳电路延迟后控制T3和T4的 导通与截止。
A
A
B
B
接口电路用光电隔离方式将运动控制器和驱动器连接起来，避 接口电路 免驱动器中的大电流干扰信号经地线窜入运动控制器电路。 环形分配器将脉冲及方向信号按设定的节拍方式，转换为功放 环形分配器 管的导通和截止信号，从而控制各相绕组的通电和断电。 17 功率放大器将电源功率转换为电机输出功率驱动负载运动。 功率放大器
1）不通电状态 ）
在绕组不通电时，由于磁通总是沿磁阻最小的路径通过， 磁通从N极性转子经定子极回到S极性转子。 由于转子磁场的吸引作用，当外力力图使轴转动时，会有 一个反向力矩阻止这种转动，称为自锁（detent)力矩 自锁（ 力矩。 7 自锁 力矩
2）单四拍工作状态 ）
ia
A B
A B
ib
A→ B→ A→ B
单、双八拍运动方式的数据表
74LS191 脉冲 CP 方向 A/D QA QB QC QD 5V
EPROM2716 A0 A1 D1 A2 A3 D2 D3 A4 D0
uBHale Waihona Puke Baidu
uA uB uA
当方向信号为低电平时，计数 器做加法计数，EPROM按正 器做加法计数，EPROM按正 向循环方式输出数据表，电机 正向旋转； 当方向信号为高电平时， EPROM按反向循环方式输出 EPROM按反向循环方式输出 数据表，电机反向旋转。 22
例 一种环形分配器实现方案
74LS191 脉冲 CP 方向 A/D QA QB QC QD A0 A1 D1 A2 A3 D2 D3 D0 EPROM2716
uB
uA
uB uA
74LS191是一种十六进制可逆 可逆计数器。其输出的数值由输入的 可逆 脉冲个数及方向信号电平高低决定。 当方向信号为低电平时，计数器做加计数。当方向信号为高 电平时，计数器做减计数。 EPROM2716是数据存储器，其地址由计数器输出决定，其输出 EPROM2716是数据存储器，其地址由计数器输出决定，其输出 21 由存储器内容决定。
4）□□ ） i
a
A AB B BA A AB B BA
ib
A → AB → B → BA → A → AB → B → BA
在单四拍工作方式基础上，在每两个单拍之间插入一个 双拍工作状态，就成为单、双八拍工作方式。 交替使一个线圈和两个线圈通电，每一步转子旋转1/8齿 距即15度，经过这8拍以后，转子转过一个齿距120度。 旋转一周需24步。
2
三种类型的步进电机
永磁式步进电机（Permanent magnet motors， PM) 变磁阻步进电机(Variable Reluctance，VR)或称 反应式步进电机； 混合式步进电动机(Hybrid，HB) 定子绕组相数可分为两相、三相、四相、五相等。 两相混合式步进电机在工业上应用最为广泛。
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1. 两相混合式步进电机结构
• •
• •
• •
• •
A B
电机的定子 定子上有八个绕有线圈的铁心磁极； 定子 八个线圈串接成A、B两相绕组； 每个定子磁极边缘有多个小齿，一般多为五或六齿。
4
转子由两段有齿环形转子铁心、装在转子铁心内部的环形 磁钢及轴承、轴组成。 将环形磁钢沿轴向充磁，两段转子铁心的一端呈N极性， 另一端呈S极性，分别称之为N段转子 段转子和S段转子 段转子。 段转子 段转子 转子铁心的边缘加工有小齿，一般为50个，齿距为7.2°。 两段转子的小齿相互错开1/2齿距。
在一片IC上集成环形分配、微步距、恒流斩波、栅极驱动、 H桥功率放大、保护及诊断等功能。 简化了设计、制作、调试等工作。提高了可靠性。降低了制 作成本。 以美国Allegro A3977芯片为例： 整步、半步、4细分、8细分工作方式； 内置高端栅极驱动； 内置环形分配器； MOSFET 双H桥恒流斩波驱动； ±2.5 A额定电流输出，母线电压最高35 V； 欠电压、输出短路、过热保护。
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2）环形分配器 ）
uA uA uB uB
A
A
B
B
环形分配器将脉冲及方向信号按设定的节拍方式，转换为功 环形分配器 放管的导通和截止信号，从而控制各相绕组的通电和断电。 环形分配器可由多种方式实现： 专用集成电路； 用计数器及EPROM存储器构成； 用可编程逻辑器件写入逻辑关系实现； 20 由单片机或DSP—类器件通过软件实现。
初始状态，A相通电产生保持力矩 保持力矩； 保持力矩 B相通电，定子磁场旋转90度，吸引转子旋转1/4齿距（30度）； /A 相通电、 /B相、 A相通电定子磁场各旋转90度，各吸引转子 旋转1/4齿距（30度）； 4步一个循环后共转过一个齿距120度，12步后转子旋转一周。 8 每一次仅一相绕组通电，四拍一个循环，称之为单四拍工作状态 单四拍工作状态
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5）微步距工作方式 ）
ia
ia
在双四拍工作方式中，当两相绕组通以相等的电流时，电机 转子停在一个中间的位置。如果两相绕组电流不等，转子位 置将朝电流大的定子极方向偏移。 利用这个现象我们可使电机工作在微步距方式：将两相绕组 中的电流分别按正弦和余弦的轮廓呈阶梯式变化。则每个整 步距就分成了若干微步距。 12 微步距方式的步距角更小，将使电机运行更加平稳。
4）功率放大—恒流斩波驱动方式
T1 D1
Us
D2
A
T2
ia
A B
A B
uA
T3
A
T4
uA
ib
D3
Vi
Vg
D4
a:T1,T4导通; b:T4关断，T1,D2导通 c:T1,T2,T3,T4关断 D3,D2导通 d:T2,T3导通 e:T3关断，T2,D1导通 f: T1,T2,T3,T4关断 D1,D4导通 电流值由Vg 大小决定 25 斩波频率由单稳时间决定,一般20KHZ
3.5 两相混合式步进电机 及其驱动技术
1. 两相混合式步进电机结构
2. 两相混合式步进电机工作原理 3. 两相混合式步进电机驱动技术 4. 两相混合式步进电机的主要特性和技术指标
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前面讲述的各种伺服电机必须通过闭环实现位置伺 服。 而步进电机在开环状态就能实现精确的位置控制。 开环较之闭环有如下好处： 结构简单，例如省去位置传感器及其信号处理电路。 没有控制参数设计及其调试的问题。 不存在稳定性问题。 接线简单。
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特点
电源电压可以较高，使电流上升更快； 输出电流不受电源电压波动影响， 高效率； 存在谐波，使电机、开关器件发热； 高频噪声对周边设备产生干扰；
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位置、 位置、速度和力矩控制
无论电机工作在整步距、半步距还是微步距，驱 动器每输入一个脉冲，电机运行一个步距角。实 现位置控制。 当驱动器输入脉冲频率改变时，换相节拍的速度 改变， 定子磁场旋转速度改变，实现速度控制。 步进电机的输出力矩取决于相电流，而相电流仅 由驱动器内部的Vg控制，一般驱动器中这个值都 是固定的，因此步进电机一般不能实现力矩控制。
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模型电机和实际电机的比较
模型电机 转子齿数 3 转子齿距 120度 整步 距 1/4齿距30度 半步距 1/8齿距15度 整步一周节拍数 12 半步一周节拍数 24
实际电机 50 7.2度 1/4齿距1.8度 1/8齿距0.9度 200 400
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3. 步进电机驱动技术
uA uA uB uB
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2. 两相混合式步进电机工作原理
每转12步的模型电机 每转 步的模型电机
定子上有四个绕有线圈的磁极（齿），相对磁极的线圈串联 组成两相绕组。 由于同一相绕组两个线圈绕线的方向相反，通过同一电流时 所 产 生的磁场方向也相反。 电流从相反方向流过同一相绕组产生的磁场方向也相反。 转子由两段永磁体组成，一段呈N极性，一段呈S极性。 每段永磁体有3个齿，齿距为120度，N极齿和S极齿彼此 错 6 开1/2齿距。