步進(jìn)電機是一種作為控制用的特種電機, 它的旋轉是以固定的角度(稱(chēng)為"步距角")一步一步運行的, 其特點(diǎn)是沒(méi)有積累誤差( 為100%), 所以廣泛應用于各種開(kāi)環(huán)控制。
步進(jìn)電機的運行要有一電子裝置進(jìn)行驅動(dòng), 這種裝置就是步進(jìn)電機驅動(dòng)器, 它是把控制系統發(fā)出的脈沖信號轉化為步進(jìn)電機的角位移, 或者說(shuō): 控制系統每發(fā)一個(gè)脈沖信號, 通過(guò)驅動(dòng)器就使步進(jìn)電機旋轉一步距角，所以步進(jìn)電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。
步進(jìn)電機驅動(dòng)方式有很多種，下文就分別講解恒電壓驅動(dòng)方式、恒電流斬波驅動(dòng)方式，以及細分驅動(dòng)技術(shù)。
恒電壓驅動(dòng)方式
單電壓驅動(dòng)
單電壓驅動(dòng)是指在電機繞組工作過(guò)程中，只用一個(gè)方向電壓對繞組供電。如圖1所示，L為電機繞組，VCC為電源。當輸入信號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繞組上。當In為低電平時(shí)，三極管截止，繞組無(wú)電流通過(guò)。
圖1 單電壓驅動(dòng)原理圖
為使通電時(shí)繞組電流迅速達到預設電流，串入電阻Rc;為防止關(guān)斷T時(shí)繞組電流變化率太大，而產(chǎn)生很大的反電勢將T擊穿，在繞組的兩端并聯(lián)一個(gè)二極管D和電阻Rd，為繞組電流提供一個(gè)泄放回路，也稱(chēng)“續流回路”。
單電壓功率驅動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結構簡(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)功率驅動(dòng)電路的效率較低，僅適合于驅動(dòng)小功率步進(jìn)電機。
高低壓驅動(dòng)
為了使通電時(shí)繞組能迅速到達設定電流，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，出現了高低壓驅動(dòng)方式。
圖2 高低壓驅動(dòng)原理圖
如圖2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。在導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。高低壓驅動(dòng)可獲得較好的高頻特性，但是由于高壓管的導通時(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�？赏ㄟ^(guò)改變其高壓管導通時(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。
恒電流斬波驅動(dòng)方式
自激式恒電流斬波驅動(dòng)
圖3為自激式恒電流斬波驅動(dòng)框圖。把步進(jìn)電機繞組電流值轉化為一定比例的電壓，與D/A轉換器輸出的預設值進(jìn)行比較，控制功率管的開(kāi)關(guān)，從而達到控 制繞組相電流的目的。從理論上講，自激式恒電流斬波驅動(dòng)可以將電機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。
圖3 自激式恒電流斬波驅動(dòng)框圖
它激式恒電流斬波驅動(dòng)
為了解決自激式斬波頻率可變引起的浪涌電壓?jiǎn)?wèn)題，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：當比較器輸出的導通脈沖剛好介于D觸發(fā)器的2個(gè)時(shí)鐘上升沿之間時(shí)，該控制信號將丟失，一般可通過(guò)加大D觸發(fā)器時(shí)鐘頻率解決。
細分驅動(dòng)方式
細分驅動(dòng)技術(shù)又稱(chēng)為微步距控制技術(shù)，是步進(jìn)電動(dòng)機開(kāi)環(huán)控制的一項新技術(shù)，利用計算機數字處理技術(shù)和D/A轉換技術(shù)，將各相繞組電流通過(guò)PWM控制，獲得按規律改變其幅值的大小和方向，實(shí)現將步進(jìn)電動(dòng)機一個(gè)整步均分為若干個(gè)更細的微步。每個(gè)微步距可能是原來(lái)基本步距的數十分之一，甚至是數百分之一。
步進(jìn)電機的細分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)，其 主要的優(yōu)點(diǎn)是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機的定位 、啟動(dòng)性能和高頻輸出轉矩;其次，減弱或消除了步進(jìn)電機的低頻振動(dòng)，降低了步進(jìn)電機在共振區工作的幾率�？梢哉f(shuō)細分驅動(dòng)技術(shù)是步進(jìn)電動(dòng)機驅動(dòng)與控制技術(shù)的一個(gè)飛躍。
細分驅動(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，而是只改變相應繞組中電流的一部分，電動(dòng)機的合成磁勢也只旋轉步距角的一部分。細分驅動(dòng)時(shí)，繞組電流不是一個(gè)方波而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除。比如：電流分成n個(gè)臺階，轉子則需要n次才轉過(guò)一個(gè)步距角，即n細分，如圖4 所示。
圖4 二相電機細分電流階梯波
一般的細分方法只改變某一相的電流，另一相電流保持不變。如圖所示，在O°～45°，Ia保持不變，Ib由O逐級變大;在45°～90°，Ib 保持不變，Ia由額定值逐級變?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;但由圖5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(zhù)不斷變化，從而引起滯后角的不斷變化。當細分數很大、微步距角非常小時(shí)，滯后角變化的差值已大于所要求細分的微步距角，使得細分實(shí)際上失去 了意義。
這就是目前常用的細分方法的缺陷，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�；诖�，本文建立一種“額定電流可調的等角度恒力矩細分”驅 動(dòng)方法，以消除力距不斷變化引起滯后角的問(wèn)題。如圖6所示，隨著(zhù)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。
圖5 二相電機相電流矢量合成圖
圖6 電流可控的等角度恒力矩細分
下面介紹合成矢量幅值保持不變的數學(xué)模型：當Ia=Im·cosx，Ib=Im·sinx時(shí)(式中Im為電流額定值，Ia、Ib為實(shí)際的相電流，x由細分數決定)，其合成矢量始終為圓的半徑，即恒力距。
等角度是指合成的力臂每次旋轉的角度一樣。額定電流可調是指可滿(mǎn)足各種系列電機的要求。例如，86系列電機的額定電流為6～8 A，而57系列電機一般不超過(guò)6 A，驅動(dòng)器有各種檔位電流可供選擇。細分為對額定電流的細分。
為實(shí)現“額定電流可調的等角度恒力距”，理論上只要各相相電流能夠滿(mǎn)足以上的數學(xué)模型即可。這就要求電流控制 非常高，不然Ia、Ib所合成的矢量角將出現偏差，即各步步距角不等，細分也失去了意義。
步進(jìn)電機的選擇
步進(jìn)電機有步距角(涉及到相數)、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機的型號便確定下來(lái)了。
1、步距角的選擇
電機的步距角取決于負載 的要求，將負載的 小分辨率(當量)換算到電機軸上，每個(gè)當量電機應走多少角度(包括減速)。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機的步距角一般有0.36度/0.72度(五相電機)、0.9度/1.8度(二、四相電機)、1.5度/3度(三相電機) 等。
2、靜力矩的選擇
步進(jìn)電機的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)(一般由低速)時(shí)二種負載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負載，恒速運行進(jìn)只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長(cháng)度便能確定下來(lái)(幾何尺寸)
3、電流的選擇
靜力矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線(xiàn)圖，判斷電機的電流。
4、力矩與功率換算
步進(jìn)電機一般在較大范圍內調速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量，力矩與功率換算如下：
p= ω·m
ω=2π·n/60
p=2πnm/60
其p為功率單位為瓦，ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉速，m為力矩單位為牛頓·米
p=2πfm/400(半步工作)
其中f為每秒脈沖數(簡(jiǎn)稱(chēng)pps)
步進(jìn)電機在應用中的注意點(diǎn)
1、步進(jìn)電機應用于低速場(chǎng)合---每分鐘轉速不超過(guò)1000轉，(0.9度時(shí)6666pps)， 在1000-3000pps(0.9度)間使用，可通過(guò)減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機工作效率高，噪音低。
2、步進(jìn)電機 不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。
3、由于歷史原因，只有標稱(chēng)為12v電壓的電機使用12v外，其他電機的電壓值不是驅動(dòng)電壓伏值，可根據驅動(dòng)器選擇驅動(dòng)電壓(建議：57byg 采用直流24v-36v，86byg采用直流50v,110byg采用高于直流80v)，當然12伏的電壓除12v恒壓驅動(dòng)外也可以采用其他驅動(dòng)電源，不過(guò)要考慮溫升。
4、轉動(dòng)慣量大的負載應選擇大機座號電機。
5、電機在較高速或大慣量負載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位 。
6、高 時(shí)，應通過(guò)機械減速、提高電機速度,或采用高細分數的驅動(dòng)器來(lái)解決，也可以采用5相電機，不過(guò)其整個(gè)系統的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠(chǎng)家少，其被淘汰的說(shuō)法是外行話(huà)。
7、電機不應在振動(dòng)區內工作，如若必須可通過(guò)改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。
8、電機在600pps(0.9度)以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來(lái)驅動(dòng)。
9、應遵循先選電機后選驅動(dòng)的原則。
步進(jìn)電機調速注意特點(diǎn)
步進(jìn)電機高速不能直接使用普通的交直流電源，需要專(zhuān)用的伺服控制器，應注意以下特點(diǎn)：
1、可以用數字信號直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，整個(gè)系統簡(jiǎn)單廉價(jià)，位移與輸入脈沖信號數相對應，步距誤差不長(cháng)期積累，開(kāi)環(huán)控制系統既簡(jiǎn)單又具有一定的 ; 在要求更高 時(shí)，也可以采用閉環(huán)控制系統。
2、由于步進(jìn)電機無(wú)刷，因此本體部件少，可靠性高。
3、易于起動(dòng)，停止，正反轉，速度響應性好;停止時(shí)一般有自鎖能力。
4、步距角可在大范圍內選擇，在小步距情況下，能夠在超低轉速下高轉距穩定運行，可以不經(jīng)減速器直接驅動(dòng)負載。
5、速度可在相當寬范圍內平滑調節， 可以用一臺控制器同時(shí)控制幾臺步進(jìn)電機完全同步運行。
6、步進(jìn)電機帶慣性負載能力較差，由于存在失步和共振問(wèn)題，步進(jìn)電機的加減速方法在不同的應用狀態(tài)下，情況較為復雜。
步進(jìn)電機定位不準怎么辦?
在調機過(guò)程中發(fā)現步進(jìn)電機定位不準現象怎么辦?一般由以下幾方面原因引起：
1、 改變方向時(shí)丟脈沖，表現為往任何一個(gè)方向都準，但一改變方向就累計偏差，并且次數越多偏得越多;
2、 初速度太高，加速度太大，引起有時(shí)丟步;
3、 在用同步帶的場(chǎng)合軟件補償太多或太少;
4、 馬達力量不夠;
5、 控制器受干擾引起誤動(dòng)作;
6、 驅動(dòng)器受干擾引起;
7、 軟件缺陷;
針對以上問(wèn)題分析如下：
1)一般的步進(jìn)驅動(dòng)器對方向和脈沖信號都有一定的要求，如：方向信號在 個(gè)脈沖上升沿或下降沿(不同的驅動(dòng)器要求不一樣)到來(lái)前數微秒被確定，否則會(huì )有一個(gè)脈沖所運轉的角度與實(shí)際需要的轉向相反， 故障現象表現為越走越偏，細分越小越明顯，解決辦法主要用軟件改變發(fā)脈沖的邏輯或加延時(shí)。
2)由于步進(jìn)電機特點(diǎn)決定初速度不能太高，尤其帶的負載慣量較大情況下,建議初速度在1r/s以下，這樣沖擊較小，同樣加速度太大對系統沖擊也大，容易過(guò)沖，導致定位不準;電機正轉和反轉之間應有一定的暫停時(shí)間,若沒(méi)有就會(huì )因反向加速度太大引起過(guò)沖。
3)根據實(shí)際情況調整被償參數值，(因為同步帶彈性形變較大，所以改變方向時(shí)需加一定的補償)。
4)適當地增大馬達電流，提高驅動(dòng)器電壓(注意選配驅動(dòng)器)，選扭矩大一些的馬達。
5)系統的干擾引起控制器或驅動(dòng)器的誤動(dòng)作，我們只能想辦法找出干擾源，降低其干擾能力(如屏蔽，加大間隔距離等)，切斷傳播途徑，提高自身的抗干擾能力，常見(jiàn)措施：
①用雙紋屏蔽線(xiàn)代替普通導線(xiàn)，系統中信號線(xiàn)與大電流或大電壓變化導線(xiàn)分開(kāi)布線(xiàn)，降低電磁干擾能力。
②用電源濾波器把來(lái)自電網(wǎng)的干擾波濾掉，在條件許可下各大用電設備的輸入端加電源濾波器，降低系統內各設備之間的干擾。
③設備之間 用光電隔離器件進(jìn)行信號傳送，在條件許可下，脈沖和方向信號 用差分方式加光電隔離進(jìn)行信號傳送。在感性負載(如電磁繼電器、電磁閥)兩端加阻容吸收或快速泄放電路，感性負載在開(kāi)頭瞬間能產(chǎn)生10~100倍的尖峰電壓，如果工作頻率在20KHZ以上。
6)軟件做一些容錯處理，把干擾帶來(lái)影響消除。 |
