步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制原理及仿真分析

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1、步進(jìn)電機(jī)控制－－張進(jìn)東雙相四線步進(jìn)電機(jī)0.9度步進(jìn)電機(jī)，定子8槽，轉(zhuǎn)子為永磁體。兩端N、S極各100齒錯(cuò)開。步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)要理論A相磁通鏈：ΦA(chǔ)=ΦMAX×cos(Ntθm)ΦMAX為磁通鏈最大值；為轉(zhuǎn)子變位角。轉(zhuǎn)矩為磁通鏈對(duì)于角度的導(dǎo)數(shù)和電流值的乘積。單相轉(zhuǎn)矩：TA=-KT×i×sin(Ntθm)=-KT×i×sinθe對(duì)AB相電流分別為i×cosα，i×sinα因?yàn)楦鼾X相鄰，最終計(jì)算得合轉(zhuǎn)矩為：KT×i×cos（α－θe）。對(duì)α－θe趨于0，合力矩為i×KT。近似恒定值。ANBASB－－SNNNNSSSS定子轉(zhuǎn)子ANBASB－－SNNNNSSSS定子轉(zhuǎn)子ANBASB－

2、－SNNNNSSS定子轉(zhuǎn)子NANBASB－－SNNNNSSS定子轉(zhuǎn)子NS輪流對(duì)AB相通電，電機(jī)轉(zhuǎn)子定向轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)脈沖控制原理傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)脈沖控制是用一對(duì)相位差90度的方波來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的A、B相線圈電流，以達(dá)到定向轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。以A相線圈通電超前B相90度時(shí)，方向?yàn)檎?。?dāng)線圈B相超前A相90度通電時(shí)，電機(jī)反方向轉(zhuǎn)。控制兩相線圈導(dǎo)通脈沖的相位就能控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。每1/4周期電機(jī)行進(jìn)一個(gè)步進(jìn)角0.9度。通過控制脈沖的頻率就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制原理細(xì)分控制方法是通過精確控制步進(jìn)電機(jī)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

3、分力極小。將1個(gè)步進(jìn)角（即0.9度）分成128個(gè)微步，通過控制兩相電流，可以停到其中任一個(gè)微步的位置上。圖2為正向時(shí)A、B相線圈的電流波形示意圖。以X點(diǎn)為例，A、B相分別通以電流Ixa、Ixb時(shí)，兩相線圈合力使轉(zhuǎn)子可以穩(wěn)定停在X點(diǎn)上。由于電機(jī)不是跳躍轉(zhuǎn)動(dòng)，相對(duì)傳統(tǒng)控制方案，只需要較小的轉(zhuǎn)矩就可以實(shí)現(xiàn)不丟步啟動(dòng)。因?yàn)橐_控制兩相線圈的電流，而且電流需要換向，即存在正負(fù)兩種電流，所以硬件電路設(shè)計(jì)和控制算法都比較復(fù)雜。步進(jìn)電機(jī)控制原理A3988電機(jī)驅(qū)動(dòng)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、/4線圈電流的大小。3）VREF1/2為一對(duì)，分別用正余弦（半波）驅(qū)動(dòng)。PHASE1/2在相應(yīng)VREF1/2波形的過0點(diǎn)切換。步進(jìn)電機(jī)仿真模型1）電機(jī)：使用6.8mH,內(nèi)阻為2.7歐。R＋L簡(jiǎn)化模型。2）驅(qū)動(dòng)波形：以轉(zhuǎn)臺(tái)最高轉(zhuǎn)速450度/秒為參照，考慮0.9度步進(jìn)電機(jī)和1：4的機(jī)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(duì)近似的正余弦（半波）。并且產(chǎn)生同步的相位信號(hào)。3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片：按A3988的模塊框圖及行為描述進(jìn)行簡(jiǎn)要的電路模型建立。為減小仿真運(yùn)算量，并簡(jiǎn)化電路，全部使用快衰減方式。電流關(guān)斷時(shí)間通過RC設(shè)置為與A3988一致的30us。4

5、）反饋回路：反饋電阻取1歐。為簡(jiǎn)化電路，省略反饋1/3分壓。步進(jìn)電機(jī)仿真波形上邊藍(lán)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(yīng)出電機(jī)內(nèi)實(shí)際電流。電機(jī)速度較低時(shí)，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(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。但需要注意當(dāng)參考電平接近0時(shí)，有一小段范圍電機(jī)里的電流為0，會(huì)導(dǎo)致極低速高細(xì)分時(shí)電機(jī)的短暫停頓，感覺不連貫?？梢栽龃蠓答侂娖剑▽?duì)應(yīng)增加電流或反饋電阻，但受效率及其它問題約束）；也可以進(jìn)行正余弦校正，可以起到更好的效果。步進(jìn)電機(jī)仿真分析電機(jī)速度較高時(shí)，線圈電流上升速度明顯滯后于參考電平信號(hào)，導(dǎo)致電流

6、變形。電流上升期間回饋電壓一直小于參考電壓，所以對(duì)應(yīng)的一對(duì)MOS管一直導(dǎo)通。減小線圈電阻值或加大電壓會(huì)有改善。電流下降期間需預(yù)防參考電壓降到0點(diǎn)時(shí)電流無法降到0的情況。否則會(huì)導(dǎo)致電流未減到0而開始換向，會(huì)產(chǎn)生較大噪聲?？梢允褂每焖p或適當(dāng)增大線圈電阻。也可對(duì)波形進(jìn)行校正。步進(jìn)電機(jī)仿真模型步進(jìn)電機(jī)仿真分析低速情況下，電機(jī)電流變化率要求較低，電流變化能及時(shí)隨參考電平信號(hào)變化，即電流是標(biāo)準(zhǔn)的正余弦形式。這樣轉(zhuǎn)矩大小基本恒定，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低。通過李沙育波形可以間接反應(yīng)出正余弦和轉(zhuǎn)矩情況。圖形較圓，表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小恒定。步進(jìn)電機(jī)仿真分析高速情況下，電機(jī)電流變化率要求較高，

7、電流變化不能及時(shí)隨參考電平信號(hào)變化，即電流是失真的正余弦形式。這樣轉(zhuǎn)矩大小發(fā)生規(guī)律變化，電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，噪音增大。通過李沙育波形可以看出正余弦和轉(zhuǎn)矩情況，該情況下會(huì)出現(xiàn)較大周期性噪聲并影響結(jié)構(gòu)壽命。應(yīng)盡可能避免這種情況發(fā)生在機(jī)械結(jié)構(gòu)的共振點(diǎn)。電機(jī)控制看似簡(jiǎn)單，但涉及到極廣泛的學(xué)科理論。電、磁、場(chǎng)、材料、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、數(shù)學(xué)、甚至半導(dǎo)體特性……想深入的進(jìn)行理解并達(dá)到很好的應(yīng)用效果需要大量的知識(shí)積累和大量的實(shí)驗(yàn)分析。讓電機(jī)轉(zhuǎn)起來很容易，但讓電機(jī)轉(zhuǎn)好卻是很有難度的。而且往往隨著應(yīng)用場(chǎng)合的不同，關(guān)注點(diǎn)和控制方式也有很大差異。通過自建模型結(jié)合仿真可以對(duì)電機(jī)控