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为你支招,步进电机驱动设计不再难
文章来源: 更新时间:2016-6-7 17:17:00

步进电机在工业控制中有着举足轻重的地位,在步进电机驱动设计中,设计师难免会遇到各种让人纠结、疑惑的问题。本次半月谈集网友之智慧,详细讲解步进电机多种驱动方式、以及在设计中应注意的问题以及考虑的因素。

步进电机驱动方式有很多种,下文就分别讲解恒电压驱动方式和恒电流斩波驱动方式的不同之处。

恒电压驱动方式

单电压驱动

单电压驱动是指在电机绕组工作过程中,只用一个方向电压对绕组供电。如图1所示,L为电机绕组,VCC为电源。当输入信号In为高电平时,提供足够大的基极电流使三极管T处于饱和状态,若忽略其饱和压降,则电源电压全部作用在电机绕组上。当In为低电平时,三极管截止,绕组无电流通过。

 

为你支招,步进电机驱动设计不再难

图1 单电压驱动原理图

为使通电时绕组电流迅速达到预设电流,串入电阻Rc;为防止关断T时绕组电流变化率太大,而产生很大的反电势将T击穿,在绕组的两端并联一个二极管D和电阻Rd,为绕组电流提供一个泄放回路,也称“续流回路”。

单电压功率驱动电路的优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入电阻后,功耗加大,整个功率驱动电路的效率较低,仅适合于驱动小功率步进电机。

高低压驱动

为了使通电时绕组能迅速到达设定电流,关断时绕组电流迅速衰减为零,同时又具有较高的效率,出现了高低压驱动方式。

 

为你支招,步进电机驱动设计不再难

图2 高低压驱动原理图

如图2所示,Th、T1分别为高压管和低压管,Vh、V1分别为高低压电源,Ih、I1分别为高低端的脉冲信号。在导通前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率,而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。高低压驱动可获得较好的高频特性,但是由于高压管的导通时间不变,在低频时,绕组获得了过多的能量,容易引起振荡。可通过改变其高压管导通时间来解决低频振荡问题,然而其控制电路较单电压复杂,可靠性降低,一旦高压管失控,将会因电流太大损坏电机。

恒电流斩波驱动方式

自激式恒电流斩波驱动

图3为自激式恒电流斩波驱动框图。把步进电机绕组电流值转化为一定比例的电压,与D/A转换器输出的预设值进行比较,控制功率管的开关,从而达到控制绕组相电流的目的。从理论上讲,自激式恒电流斩波驱动可以将电机绕组的电流控制在某一恒定值。但由于斩波频率是可变的,会使绕组激起很高的浪涌电压,因而对控制电路产生很大的干扰,容易产生振荡,可靠性大大降低。

 

为你支招,步进电机驱动设计不再难

图3 自激式恒电流斩波驱动框图

它激式恒电流斩波驱动

为了解决自激式斩波频率可变引起的浪涌电压问题,可在D触发器加一个固定频率的时钟。这样基本上能解决振荡问题,但仍然存在一些问题。比如:当比较器输出的导通脉冲刚好介于D触发器的2个时钟上升沿之间时,该控制信号将丢失,一般可通过加大D触发器时钟频率解决。

细分驱动方式

这是本文讨论的重点,也是该系统采用的驱动方法。细分驱动最主要的优点是步距角变小,分辨率提高,且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩;其次,减弱或消除了步进电机的低频振动,降低了步进电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。

细分驱动是指在每次脉冲切换时,不是将绕组的全部电流通入或切除,而是只改变相应绕组中电流的一部分,电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时,绕组电流不是一个方波而是阶梯波,额定电流是台阶式的投入或切除。比如:电流分成n个台阶,转子则需要n次才转过一个步距角,即n细分,如图4所示。

 

为你支招,步进电机驱动设计不再难

图4 二相电机细分电流阶梯波

一般的细分方法只改变某一相的电流,另一相电流保持不变。如图所示,在O°~45°,Ia保持不变,Ib由O逐级变大;在45°~90°,Ib 保持不变,Ia由额定值逐级变为0。该方法的优点是控制较为简单,在硬件上容易实现;但由图5所示的电流矢量合成图可知,所合成的矢量幅值是不断变化的,输出力矩也跟着不断变化,从而引起滞后角的不断变化。当细分数很大、微步距角非常小时,滞后角变化的差值已大于所要求细分的微步距角,使得细分实际上失去了意义。

这就是目前常用的细分方法的缺陷,那么有没有一种方法让矢量角度变化时同时保持幅值不变呢?由上面分析可知,只改变单一相电流是不可能的,那么同时改变两相电流呢?即Ia、Ib以某一数学关系同时变化,保证变化过程中合成矢量幅值始终不变。基于此,本文建立一种“额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法,以消除力距不断变化引起滞后角的问题。如图6所示,随着A、B两相相电流Ia、Ib的合成矢量角度不断变化,其幅值始终为圆的半径。

 

为你支招,步进电机驱动设计不再难

图5 二相电机相电流矢量合成图

 

为你支招,步进电机驱动设计不再难

图6 电流可控的等角度恒力矩细分

下面介绍合成矢量幅值保持不变的数学模型:当Ia=Im·cosx,Ib=Im·sinx时(式中Im为电流额定值,Ia、Ib为实际的相电流,x由细分数决定),其合成矢量始终为圆的半径,即恒力距。

等角度是指合成的力臂每次旋转的角度一样。额定电流可调是指可满足各种系列电机的要求。例如,86系列电机的额定电流为6~8 A,而57系列电机一般不超过6 A,驱动器有各种档位电流可供选择。细分为对额定电流的细分。

为实现“额定电流可调的等角度恒力距”,理论上只要各相相电流能够满足以上的数学模型即可。这就要求电流控制精度非常高,不然Ia、Ib所合成的矢量角将出现偏差,即各步步距角不等,细分也失去了意义。

步进电机的选择

步进电机有步距角(涉及到相数)、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定,步进电机的型号便确定下来了。

1、步距角的选择

电机的步距角取决于负载精度的要求,将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上,每个当量电机应走多少角度(包括减速)。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度(五相电机)、0.9度/1.8度(二、四相电机)、1.5度/3度(三相电机) 等。

2、静力矩的选择

步进电机的动态力矩一下子很难确定,我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载,而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时(一般由低速)时二种负载均要考虑,加速起动时主要考虑惯性负载,恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下,静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好,静力矩一旦选定,电机的机座及长度便能确定下来(几何尺寸)

3、电流的选择

静力矩一样的电机,由于电流参数不同,其运行特性差别很大,可依据矩频特性曲线图,判断电机的电流。

4、力矩与功率换算

步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的,一般只用力矩来衡量,力矩与功率换算如下:

p= ω·m

ω=2π·n/60

p=2πnm/60

其p为功率单位为瓦,ω为每秒角速度,单位为弧度,n为每分钟转速,m为力矩单位为牛顿·米

p=2πfm/400(半步工作)

其中f为每秒脉冲数(简称pps)

步进电机在应用中的注意点

1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转,(0.9度时6666pps),最好在1000-3000pps(0.9度)间使用,可通过减速装置使其在此间工作,此时电机工作效率高,噪音低。

2、步进电机最好不使用整步状态,整步状态时振动大。

3、由于历史原因,只有标称为12v电压的电机使用12v外,其他电机的电压值不是驱动电压伏值,可根据驱动器选择驱动电压(建议:57byg 采用直流24v-36v,86byg采用直流50v,110byg采用高于直流80v),当然12伏的电压除12v恒压驱动外也可以采用其他驱动电源,不过要考虑温升。

4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。

5、电机在较高速或大惯量负载时,一般不在工作速度起动,而采用逐渐升频提速,一电机不失步,二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。

6、高精度时,应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决,也可以采用5相电机,不过其整个系统的价格较贵,生产厂家少,其被淘汰的说法是外行话。

7、电机不应在振动区内工作,如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。

8、电机在600pps(0.9度)以下工作,应采用小电流、大电感、低电压来驱动。

9、应遵循先选电机后选驱动的原则。

步进电机调速注意特点

步进电机高速不能直接使用普通的交直流电源,需要专用的伺服控制器,应注意以下特点:

1、可以用数字信号直接进行开环控制,整个系统简单廉价,位移与输入脉冲信号数相对应,步距误差不长期积累,开环控制系统既简单又具有一定的精度; 在要求更高精度时,也可以采用闭环控制系统。

2、由于步进电机无刷,因此本体部件少,可靠性高。

3、易于起动,停止,正反转,速度响应性好;停止时一般有自锁能力。

4、步距角可在大范围内选择,在小步距情况下,能够在超低转速下高转距稳定运行,可以不经减速器直接驱动负载。

5、速度可在相当宽范围内平滑调节, 可以用一台控制器同时控制几台步进电机完全同步运行。

6、步进电机带惯性负载能力较差,由于存在失步和共振问题,步进电机的加减速方法在不同的应用状态下,情况较为复杂。

步进电机定位不准怎么办?

在调机过程中发现步进电机定位不准现象怎么办?一般由以下几方面原因引起:

1、 改变方向时丢脉冲,表现为往任何一个方向都准,但一改变方向就累计偏差,并且次数越多偏得越多;

2、 初速度太高,加速度太大,引起有时丢步;

3、 在用同步带的场合软件补偿太多或太少;

4、 马达力量不够;

5、 控制器受干扰引起误动作;

6、 驱动器受干扰引起;

7、 软件缺陷;

针对以上问题分析如下:

1)一般的步进驱动器对方向和脉冲信号都有一定的要求,如:方向信号在第一个脉冲上升沿或下降沿(不同的驱动器要求不一样)到来前数微秒被确定,否则会有一个脉冲所运转的角度与实际需要的转向相反,最后故障现象表现为越走越偏,细分越小越明显,解决办法主要用软件改变发脉冲的逻辑或加延时。

2)由于步进电机特点决定初速度不能太高,尤其带的负载惯量较大情况下,建议初速度在1r/s以下,这样冲击较小,同样加速度太大对系统冲击也大,容易过冲,导致定位不准;电机正转和反转之间应有一定的暂停时间,若没有就会因反向加速度太大引起过冲。

3)根据实际情况调整被偿参数值,(因为同步带弹性形变较大,所以改变方向时需加一定的补偿)。

4)适当地增大马达电流,提高驱动器电压(注意选配驱动器),选扭矩大一些的马达。

5)系统的干扰引起控制器或驱动器的误动作,我们只能想办法找出干扰源,降低其干扰能力(如屏蔽,加大间隔距离等),切断传播途径,提高自身的抗干扰能力,常见措施:

①用双纹屏蔽线代替普通导线,系统中信号线与大电流或大电压变化导线分开布线,降低电磁干扰能力。

②用电源滤波器把来自电网的干扰波滤掉,在条件许可下各大用电设备的输入端加电源滤波器,降低系统内各设备之间的干扰。

③设备之间最好用光电隔离器件进行信号传送,在条件许可下,脉冲和方向信号最好用差分方式加光电隔离进行信号传送。在感性负载(如电磁继电器、电磁阀)两端加阻容吸收或快速泄放电路,感性负载在开头瞬间能产生10~100倍的尖峰电压,如果工作频率在20KHZ以上。

6)软件做一些容错处理,把干扰带来影响消除。



 
 
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