步進電機細分控制原理及仿真分析-張進東

《步進電機細分控制原理及仿真分析-張進東》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在教育資源-天天文庫。

1、步進電機控制－－張進東雙相四線步進電機0.9度步進電機，定子8槽，轉子為永磁體。兩端N、S極各100齒錯開。步進電機簡要理論A相磁通鏈：ΦA=ΦMAX×cos(Ntθm)ΦMAX為磁通鏈最大值；為轉子變位角。轉矩為磁通鏈對于角度的導數(shù)和電流值的乘積。單相轉矩：TA=-KT×i×sin(Ntθm)=-KT×i×sinθe對AB相電流分別為i×cosα，i×sinα因為各齒相鄰，最終計算得合轉矩為：KT×i×cos（α－θe）。對α－θe趨于0，合力矩為i×KT。近似恒定值。ANBASB－－SNNNNSSSS定子轉子ANBASB－－SNNNNSSSS定子轉子ANBASB－－SNNNNS

2、SS定子轉子NANBASB－－SNNNNSSS定子轉子NS輪流對AB相通電，電機轉子定向轉動。步進電機脈沖控制原理傳統(tǒng)的步進電機脈沖控制是用一對相位差90度的方波來驅動步進電機的A、B相線圈電流，以達到定向轉動的目的。以A相線圈通電超前B相90度時，方向為正。當線圈B相超前A相90度通電時，電機反方向轉?？刂苾上嗑€圈導通脈沖的相位就能控制步進電機的轉向。每1/4周期電機行進一個步進角0.9度。通過控制脈沖的頻率就可以控制電機的轉速。步進電機細分控制原理細分控制方法是通過精確控制步進電機的A、B相電流，分別按照正余弦曲線變化。這樣產(chǎn)生的合力矩大小恒定，徑向分力極小。將1個步進角（即0

3、.9度）分成128個微步，通過控制兩相電流，可以停到其中任一個微步的位置上。圖2為正向時A、B相線圈的電流波形示意圖。以X點為例，A、B相分別通以電流Ixa、Ixb時，兩相線圈合力使轉子可以穩(wěn)定停在X點上。由于電機不是跳躍轉動，相對傳統(tǒng)控制方案，只需要較小的轉矩就可以實現(xiàn)不丟步啟動。因為要精確控制兩相線圈的電流，而且電流需要換向，即存在正負兩種電流，所以硬件電路設計和控制算法都比較復雜。步進電機控制原理A3988電機驅動芯片內(nèi)部框圖1）PHASE1/2/3/4分別控制1/2/3/4線圈電流的方向。2）VREF1/2/3/4分別控制1/2/3/4線圈電流的大小。3）VREF1/2為一

4、對，分別用正余弦（半波）驅動。PHASE1/2在相應VREF1/2波形的過0點切換。步進電機仿真模型1）電機：使用6.8mH,內(nèi)阻為2.7歐。R＋L簡化模型。2）驅動波形：以轉臺最高轉速450度/秒為參照，考慮0.9度步進電機和1：4的機械變比，可以使用50V/500Hz交流電源，經(jīng)全橋整流再分壓得到一對近似的正余弦（半波）。并且產(chǎn)生同步的相位信號。3）電機驅動芯片：按A3988的模塊框圖及行為描述進行簡要的電路模型建立。為減小仿真運算量，并簡化電路，全部使用快衰減方式。電流關斷時間通過RC設置為與A3988一致的30us。4）反饋回路：反饋電阻取1歐。為簡化電路，省略反饋1/3分

5、壓。步進電機仿真波形上邊藍色為參考電平；黃色為反饋電壓；紫色和綠色為電感等效串阻兩端電壓；紅色正弦曲線是串阻兩端電壓差，反應出電機內(nèi)實際電流。電機速度較低時，線圈電流上升速度和下降速度都能跟上參考電平變化。電機運行平穩(wěn)。但需要注意當參考電平接近0時，有一小段范圍電機里的電流為0，會導致極低速高細分時電機的短暫停頓，感覺不連貫?？梢栽龃蠓答侂娖剑▽黾与娏骰蚍答侂娮?，但受效率及其它問題約束）；也可以進行正余弦校正，可以起到更好的效果。步進電機仿真分析電機速度較高時，線圈電流上升速度明顯滯后于參考電平信號，導致電流變形。電流上升期間回饋電壓一直小于參考電壓，所以對應的一對MOS管一直

6、導通。減小線圈電阻值或加大電壓會有改善。電流下降期間需預防參考電壓降到0點時電流無法降到0的情況。否則會導致電流未減到0而開始換向，會產(chǎn)生較大噪聲?？梢允褂每焖p或適當增大線圈電阻。也可對波形進行校正。步進電機仿真模型步進電機仿真分析低速情況下，電機電流變化率要求較低，電流變化能及時隨參考電平信號變化，即電流是標準的正余弦形式。這樣轉矩大小基本恒定，電機運行平穩(wěn)，噪音低。通過李沙育波形可以間接反應出正余弦和轉矩情況。圖形較圓，表示電機轉矩大小恒定。步進電機仿真分析高速情況下，電機電流變化率要求較高，電流變化不能及時隨參考電平信號變化，即電流是失真的正余弦形式。這樣轉矩大小發(fā)生規(guī)律變

7、化，電機運行出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，噪音增大。通過李沙育波形可以看出正余弦和轉矩情況，該情況下會出現(xiàn)較大周期性噪聲并影響結構壽命。應盡可能避免這種情況發(fā)生在機械結構的共振點。電機控制看似簡單，但涉及到極廣泛的學科理論。電、磁、場、材料、結構、力學、數(shù)學、甚至半導體特性……想深入的進行理解并達到很好的應用效果需要大量的知識積累和大量的實驗分析。讓電機轉起來很容易，但讓電機轉好卻是很有難度的。而且往往隨著應用場合的不同，關注點和控制方式也有很大差異。通過自建模型結合仿真可以對電機控