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可靠性步进电机细分驱动技术研究

2018-01-05盛君刘锏泽张仰成张鼐

中国新技术新产品 2018年22期
关键词:步进电机幅值

盛君 刘锏泽 张仰成 张鼐

摘 要:步进电机细分驱动技术对于提高电机运转的精确性,起到至关重要的作用,也是步进电机的步距角进行高精度细分的关键。本文对步进电机的发展情况进行分析,同时也讲解了可靠性步进电机的驱动细分。

关键词:步进电机;细分驱动;幅值

中图分类号:TM301 文献标志码:A

0 前言

步进电机是为一种机电元件,它依靠电脉冲信号对绕组电流进行控制实现定角转动。与其他类型的电机相比较,其优势在于没有积累误差以及容易开环精确控制,因此步进电机广泛地应用在众多领域中。

步进电机的步距角由于受到制造工艺的影响一般情况下都比较大,而且还存在着低频振动。使用步进电机细分驱动技术有效地减少了步进电机步距角。通过这项技术在一定程度上可以降低步进电机的步距角,同时还可以增强电机运转精度、电机运行的稳定性以及电机控制的灵活性等。

1 频脉宽调制细分驱动

步进电机细分驱动是受到电机的绕组电流影响的,电机会受到固定规律的影响,呈现出降压或升压,可实现稳定的中间电流从零到最大相当前状态。恒频脉宽调制细分技术依据可变细分控制原理产生相应的阶梯波,恒流阶段采用定频脉宽调制,这样就能使功率管工作在开关的状态。采用这种控制模式,在一定程度上不仅能够降低可变细分功率管的损耗,又能够避免由于计算时间长,数字细分脉宽调制不易实现的问题。

恒频脉宽调制细分技术的工作原理,其中,Vref 代表的是阶梯波细分参考信号, PMW 代表的是脉宽调制信号, Va 代表的是相序信号, Vb 代表的是电流反馈信号,Vk 代表的是细分电路输出中的控制信号。

以其中一个阶梯为例来简要说明频脉宽细分驱动原理,首先单片机要输出 PWM 斩波信号,当输出的斩波信号上升时,逻辑控制电路就会开放,相应的 T1 和 T2 功率管就会导通,绕组中的电流此时就会上升。采样电流信号经过放大处理之后产生的反馈信号 Vb 就会加到细分电路上,这时候绕组电流开始上升,其中Vref < Vb ,则Vk 为高电平,T1和 T2 功率管则会继续导通;当绕组电流继续升高到一定的值,即 Vref < Vb 时,Vk 为低电平,此时T1和 T2功率管则会中断,逻辑控制电路也会被封锁。绕组中的能量就会全部通过D1和D2回到电源中去,这样就会使绕组中的电流快速下降。当Vref >Vb 时,Vk 则又变成了高电平,当定频 PMW 信号上升沿到来的时候,就会重新被开放,同时T1和T2 功率管会重新被导通,这样不断地重复下去。

虽然恒频脉宽调制细分技术能够在一定程度上提高定位的精度,并且还能对低频振荡进行克制,在提高效率的同时还能够消除差频噪声,但是该技术只是简单地对电机绕组电流进行控制,这样就会导致细分之后的步角距不均匀,这样就严重限制了步进电机的应用范围,单片机是目前步进电机驱动的主要手段。

2 细分驱动系统的实现

对步进电机而言,合成的磁场的矢量幅值会对旋转的力矩产生决定性的影响,决定着其力矩的大小。两个相邻合成磁场的矢量夹角即为步距夹角大小的关键所在。要想对步进电机的恒力矩进行均匀的细分及控制,就必须对步进电机的吊机绕组的电流进行精确控制。一般来说通过对电流的控制来达到控制电机合成磁场幅值的作用,可保证合成磁场幅值的稳定,并且各个没冲的磁场角度都是均匀变化的,其细分方式通常仅仅改变其中某一相电流,本文以混合步进电机举例,其距角的关系如图1所示。

A相和B相的绕组以TA及TB为单独额定电流的磁场矢量,TBn为第n细分步,B相绕组电流的磁场,以A相为参照相,TA及TB间夹角以记为θ,αn为n细分步磁场的偏离参考点角度,TN为单相额定电流时转矩。

这种方式有一种显著的缺陷,即电流合成矢量幅值并非是稳定不变的,导致步进电机转矩同样会跟着其值的变化而变化,这样就导致了电流矢量的幅值在运行中的稳定性不足,运转不是很稳定,造成滞后角的变化。若细分数大到临界值,而步距角又达到小的临界值时,会早抽滞后角差值△远比所实际需要的细分步距要小,而此时步距的细分也就失去了原本存在的意义,导致细分数量大量增加。而对此类状况,应当尽量对滞后进行抵消,尽量使其在电流及矢量的幅度在最大程度上保持一致。

IA及IB用以表示A、B绕组电流,Im则为电流的幅值,α为转子的偏离角度大小。由于模型中的电流的恒力矩是永远细分且不会发生变化的,所以电机和转矩的角度、电机的非线性运动均是一种接近函数的非常准确的形状。TB和α,的函数关系,也能够依照步进电机的静转矩T-I来表示,也就可以求出I-α的曲线,通过对点击的I-α曲线进行分析,电机的步距就能够用线性和正余弦来叠加求解。

K1为电流依照α的变化状态,K2是正弦及线性之间的固定关系,由于线性和正弦的规律正好可以体现出电机的非线性相关,波形具有均匀性特点所以能够起到细分步距的作用,且这种细分非常均匀。在实践当中,不相同的电机可以通过对 K2进行调整使线性及正弦之间的分量达到所需比例。

以A和B来代表绕组中n细分中的电流的数据变化;M代表细分出的倍数;n则表示细分的步骤编号,取值为0及以上的整数,M、Z、K均为常数;若Z=255;0

结语

对于步进电机高频出力不足的问题和低频振荡等问题,细分驱动技术可以进行改进,大幅提高了步进电机的性能。该技术不仅能够在一定程度上减小步进电机的步距角,而且还在一定程度上增强了电机运转精度、电机运行的稳定性以及电机控制的灵活性等。

参考文献

[1]张靖.步进电机细分驱动器的研究[D].河北农业大学,2003.

[2]雷凯. 步进电机细分驱动技术的研究[D].苏州大学, 2003.

[3] 孙胜利.步进电机细分驱动获得均匀步距的方法研究[J]. 微特电机, 1998(5):22-24.

[4] 李智强, 周杰, 任胜杰.基于单片机的步进电机细分驱动控制系统[J]. 机电工程, 2007, 24(7):67-69.

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