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    步進電動機的工作原理及驅動方法

    發布時間:2015-10-29 11:38:37    瀏覽次數:

      是一種將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件。的輸入量是脈沖序列,輸出量則為相應的增量位移或步進運動。正常運動情況下,它每轉一周具有固定的步數;做連續步進運動時,其旋轉轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系,不受電壓波動和負載變化的影響。由于能直接接受數字量的控制,所以特別適宜采用微機進行控制。

    本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/73889.htm

    1.步進電動機的種類

      目前常用的有三種步進電動機:

      (1)反應式步進電動機(VR)。反應式步進電動機結構簡單,生產成本低,步距角小;但動態性能差。

      (2)永磁式步進電動機(PM)。永磁式步進電動機出力大,動態性能好;但步距角大。

      (3)混合式步進電動機(HB)。混合式步進電動機綜合了反應式、永磁式步進電動機兩者的優點,它的步距角小,出力大,動態性能好,是目前性能最高的步進電動機。它有時也稱作永磁感應子式步進電動機。

    2.步進電動機的工作原理

    圖1 三相反應式步進電動機的結構示意圖

    1——定子  2——轉子  3——定子繞組{{分頁}}

      圖1是最常見的三相反應式步進電動機的剖面示意圖。電機的定子上有六個均布的磁極,其夾角是60º。各磁極上套有線圈,按圖1連成A、B、C三相繞組。轉子上均布40個小齒。所以每個齒的齒距為θE=360º/40=9º,而定子每個磁極的極弧上也有5個小齒,且定子和轉子的齒距和齒寬均相同。由于定子和轉子的小齒數目分別是30和40,其比值是一分數,這就產生了所謂的齒錯位的情況。若以A相磁極小齒和轉子的小齒對齊,如圖1,那么B相和C相磁極的齒就會分別和轉子齒相錯三分之一的齒距,即3º。因此,B、C極下的磁阻比A磁極下的磁阻大。若給B相通電,B相繞組產生定子磁場,其磁力線穿越B相磁極,并力圖按磁阻最小的路徑閉合,這就使轉子受到反應轉矩(磁阻轉矩)的作用而轉動,直到B磁極上的齒與轉子齒對齊,恰好轉子轉過3º;此時A、C磁極下的齒又分別與轉子齒錯開三分之一齒距。接著停止對B相繞組通電,而改為C相繞組通電,同理受反應轉矩的作用,轉子按順時針方向再轉過3º。依次類推,當三相繞組按A→B→C→A順序循環通電時,轉子會按順時針方向,以每個通電脈沖轉動3º的規律步進式轉動起來。若改變通電順序,按A→C→B→A順序循環通電,則轉子就按逆時針方向以每個通電脈沖轉動3º的規律轉動。因為每一瞬間只有一相繞組通電,并且按三種通電狀態循環通電,故稱為單三拍運行方式。單三拍運行時的步矩角θb為30º。三相步進電動機還有兩種通電方式,它們分別是雙三拍運行,即按AB→BC→CA→AB順序循環通電的方式,以及單、雙六拍運行,即按A→AB→B→BC→C→CA→A順序循環通電的方式。六拍運行時的步矩角將減小一半。反應式步進電動機的步距角可按下式計算:

                              θb=360º/NEr                                 (1)

    式中   Er——轉子齒數;

           N——運行拍數,N=km,m為步進電動機的繞組相數,k=1或2。

    3.步進電動機的驅動方法

      步進電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作,而必須使用專用的步進電動機驅動器,如圖2所示,它由脈沖發生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。圖中點劃線所包圍的二個單元可以用微機控制來實現。驅動單元與步進電動機直接耦合,也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口,這里予以簡單介紹。

    圖2 步進電動機驅動控制器

    1. 單電壓功率驅動接口

      實用電路如圖3所示。在電機繞組回路中串有電阻Rs,使電機回路時間常數減小,高頻時電機能產生較大的電磁轉矩,還能緩解電機的低頻共振現象,但它引起附加的損耗。一般情況下,簡單單電壓驅動線路中,Rs是不可缺少的。Rs對步進電動機單步響應的改善如圖3(b)。{{分頁}}

    圖3 單電壓功率驅動接口及單步響應曲線

    圖4 雙電壓功率驅動接口

    2.雙電壓功率驅動接口

      雙電壓驅動的功率接口如圖4所示。雙電壓驅動的基本思路是在較低(低頻段)用較低的電壓UL驅動,而在高速(高頻段)時用較高的電壓UH驅動。這種功率接口需要兩個控制信號,Uh為高壓有效控制信號,U為脈沖調寬驅動控制信號。圖中,功率管TH和二極管DL構成電源轉換電路。當Uh低電平,TH關斷,DL正偏置,低電壓UL對繞組供電。反之Uh高電平,TH導通,DL反偏,高電壓UH對繞組供電。這種電路可使電機在高頻段也有較大出力,而靜止鎖定時功耗減小。

    3.高低壓功率驅動接口

    圖5 高低壓功率驅動接口

      高低壓功率驅動接口如圖5所示。高低壓驅動的設計思想是,不論電機工作頻率如何,均利用高電壓UH供電來提高導通相繞組的電流前沿,而在前沿過后,用低電壓UL來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅動器的高頻性能,而且不必再串聯電阻Rs,消除了附加損耗。高低壓驅動功率接口也有兩個輸入控制信號Uh和Ul,它們應保持同步,且前沿在同一時刻跳變,如圖5所示。圖中,高壓管VTH的導通時間tl不能太大,也不能太小,太大時,電機電流過載;太小時,動態性能改善不明顯。一般可取1~3ms。(當這個數值與電機的電氣時間常數相當時比較合適)。{{分頁}}

    4.斬波恒流功率驅動接口

      恒流驅動的設計思想是,設法使導通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時均保持固定數值。使電機具有恒轉矩輸出特性。這是目前使用較多、效果較好的一種功率接口。圖6是斬波恒流功率接口原理圖。圖中R是一個用于電流采樣的小阻值電阻,稱為采樣電阻。當電流不大時,VT1和VT2同時受控于走步脈沖,當電流超過恒流給定的數值,VT2被封鎖,電源U被切除。由于電機繞組具有較大電感,此時靠二極管VD續流,維持繞組電流,電機靠消耗電感中的磁場能量產生出力。此時電流將按指數曲線衰減,同樣電流采樣值將減小。當電流小于恒流給定的數值,VT2導通,電源再次接通。如此反復,電機繞組電流就穩定在由給定電平所決定的數值上,形成小小的鋸齒波,如圖6所示。

    圖6 斬波恒流功率驅動接口

      斬波恒流功率驅動接口也有兩個輸入控制信號,其中u1是數字脈沖,u2是模擬信號。這種功率接口的特點是:高頻響應大大提高,接近恒轉矩輸出特性,共振現象消除,但線路較復雜。目前已有相應的集成功率模塊可供采用。

    5.升頻升壓功率驅動接口

      為了進一步提高驅動系統的高頻響應,可采用升頻升壓功率驅動接口。這種接口對繞組提供的電壓與電機的運行頻率成線性關系。它的主回路實際上是一個開關穩壓電源,利用頻率-電壓變換器,將驅動脈沖的頻率轉換成直流電平,并用此電平去控制開關穩壓電源的輸入,這就構成了具有頻率反饋的功率驅動接口。

    6.集成功率驅動接口

      目前已有多種用于小功率步進電動機的集成功率驅動接口電路可供選用。

      L298芯片是一種H橋式驅動器,它設計成接受標準TTL邏輯電平信號,可用來驅動電感性負載。H橋可承受46V電壓,相電流高達2.5A。L298(或XQ298,SGS298)的邏輯電路使用5V電源,功放級使用5~46V電壓,下橋發射極均單獨引出,以便接入電流取樣電阻。L298(等)采用15腳雙列直插小瓦數式封裝,工業品等級。它的內部結構如圖7所示。H橋驅動的主要特點是能夠對電機繞組進行正、反兩個方向通電。L298特別適用于對二相或四相步進電動機的驅動。{{分頁}}

    圖7 L298原理框圖

      與L298類似的電路還有TER公司的3717,它是單H橋電路。SGS公司的SG3635則是單橋臂電路,IR公司的IR2130則是三相橋電路,Allegro公司則有A2916、A3953等小功率驅動模塊。

      圖8是使用L297(環形分配器專用芯片)和L298構成的具有恒流斬波功能的步進電動機驅動系統。

    圖8 專用芯片構成的步進電動驅動系統

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