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1、步进电机控制步进电机控制张进东张进东双相四线步进电机双相四线步进电机度步进电机，定子度步进电机，定子8 8槽，转子为永磁体。两端槽，转子为永磁体。两端N N、S S极各极各100100齿错开。齿错开。步进电机简要理论步进电机简要理论 A A相磁通链：相磁通链：A A=MAXMAXcos(Ncos(Nt tm m)MAXMAX为磁通链最大值；为磁通链最大值；为转子变位角。为转子变位角。转矩为磁通链对于角转矩为磁通链对于角度的导数和电流值的乘积。度的导数和电流值的乘积。单相转矩：单相转矩：T TA A=-K=-KT Tisin(Nisin(Nt tm m)=-K=-KT Tisinisine e
2、对对ABAB相电流分别为相电流分别为icosicos，isin isin 因为各齿相邻，最终因为各齿相邻，最终计算得合转矩为：计算得合转矩为：K KT Ticosicos（e e）。）。对对e e趋于趋于0 0，合力矩，合力矩为为iKiKT T。近似恒定值。近似恒定值。ANBASBSNNNNSSSS定子转子ANBASBSNNNNSSSS定子转子ANBASBSNNNNSSS定子转子NANBASBSNNNNSSS定子转子NS轮流对轮流对ABAB相通电，电机转子定向转动。相通电，电机转子定向转动。步进电机脉冲控制原理步进电机脉冲控制原理 传统的步进电机脉冲传统的步进电机脉冲控制是用一对相位差控制是用
3、一对相位差9090度度的方波来驱动步进电机的的方波来驱动步进电机的A A、B B相线圈电流，以达到定向相线圈电流，以达到定向转动的目的。转动的目的。以以A A相线圈通电超前相线圈通电超前B B相相9090度时，方向为正。当度时，方向为正。当线圈线圈B B相超前相超前A A相相9090度通电度通电时，电机反方向转。控制时，电机反方向转。控制两相线圈导通脉冲的相位两相线圈导通脉冲的相位就能控制步进电机的转向。就能控制步进电机的转向。每每1/41/4周期电机行进一个步周期电机行进一个步进角度。通过控制脉冲的进角度。通过控制脉冲的频率就可以控制电机的转频率就可以控制电机的转速。速。步进电机细分控制原理
4、步进电机细分控制原理 细细分分控控制制方方法法是是通通过过精精确确控控制制步步进进电电机机的的A A、B B相相电电流流，分分别别按按照照正正余余弦弦曲曲线线变变化化。这这样样产产生生的的合合力力矩矩大大小小恒恒定定，径径向向分分力力极极小小。将将1 1个个步步进进角角（即即度度）分分成成128128个个微微步步，通通过过控控制制两两相相电电流流，可可以以停停到到其其中中任任一一个个微微步步的的位位置置上上。图图2 2为为正向时正向时A A、B B相线圈的电流波形示意图。相线圈的电流波形示意图。以以X X点点为为例例，A A、B B相相分分别别通通以以电电流流IxaIxa、IxbIxb时时，两
5、两相相线线圈圈合合力力使使转转子子可可以以稳稳定定停停在在X X点点上上。由由于于电电机机不不是是跳跳跃跃转转动动，相相对对传传统统控控制制方方案案，只只需需要要较较小小的的转转矩矩就就可可以以实实现现不不丢丢步步启启动动。因因为为要要精精确确控控制制两两相相线线圈圈的的电电流流，而而且且电电流流需需要要换换向，即存在正负两种电流，所以硬件电路设计和控制算法都比较复杂。向，即存在正负两种电流，所以硬件电路设计和控制算法都比较复杂。步进电机控制原理步进电机控制原理A3988A3988电机驱动芯片内部电机驱动芯片内部框图框图1 1）PHASE1/2/3/4 PHASE1/2/3/4分别分别控制控制
6、1/2/3/41/2/3/4线圈电流的线圈电流的方向。方向。2 2）VREF1/2/3/4 VREF1/2/3/4分别控分别控制制1/2/3/41/2/3/4线圈电流的大线圈电流的大小。小。3 3）VREF1/2 VREF1/2为一对，分为一对，分别用正余弦（半波）驱别用正余弦（半波）驱动。动。PHASE1/2PHASE1/2在相应在相应VREF1/2VREF1/2波形的过波形的过0 0点切点切换。换。步进电机仿真模型步进电机仿真模型1 1）电机：使用电机：使用6.8mH,6.8mH,内阻为欧。内阻为欧。R RL L简化模型。简化模型。2 2）驱动波形：以转台最高转速）驱动波形：以转台最高转速
7、450450度度/秒为参照，考虑度步进电机和秒为参照，考虑度步进电机和1 1：4 4的机械变比，的机械变比，可以使用可以使用50V/500Hz50V/500Hz交流电源，经全桥整流再分压得到一对近似的正余弦（半波）。交流电源，经全桥整流再分压得到一对近似的正余弦（半波）。并且产生同步的相位信号。并且产生同步的相位信号。3 3）电机驱动芯片：按）电机驱动芯片：按A3988A3988的模块框图及行为描述进行简要的电路模型建立。为减的模块框图及行为描述进行简要的电路模型建立。为减小仿真运算量，并简化电路，全部使用快衰减方式。电流关断时间通过小仿真运算量，并简化电路，全部使用快衰减方式。电流关断时间通
8、过RCRC设置为与设置为与A3988A3988一致的一致的30us30us。4 4）反馈回路：反馈电阻取）反馈回路：反馈电阻取1 1欧。为简化电路，省略反馈欧。为简化电路，省略反馈1/31/3分压。分压。步进电机仿真波形步进电机仿真波形 上边蓝色为参考电平；黄色为上边蓝色为参考电平；黄色为反馈电压；紫色和绿色为电感等效反馈电压；紫色和绿色为电感等效串阻两端电压；红色正弦曲线是串串阻两端电压；红色正弦曲线是串阻两端电压差，反应出电机内实际阻两端电压差，反应出电机内实际电流。电流。电机速度较低时，线圈电流上电机速度较低时，线圈电流上升速度和下降速度都能跟上参考电升速度和下降速度都能跟上参考电平变化
9、。电机运行平稳。平变化。电机运行平稳。但需要注意当参考电平接近但需要注意当参考电平接近0 0时，时，有一小段范围电机里的电流为有一小段范围电机里的电流为0 0，会，会导致极低速高细分时电机的短暂停导致极低速高细分时电机的短暂停顿，感觉不连贯。顿，感觉不连贯。可以增大反馈电平（对应增加可以增大反馈电平（对应增加电流或反馈电阻，但受效率及其它电流或反馈电阻，但受效率及其它问题约束）；也可以进行正余弦校问题约束）；也可以进行正余弦校正，可以起到更好的效果。正，可以起到更好的效果。步进电机仿真分析步进电机仿真分析 电机速度较高时，线圈电机速度较高时，线圈电流上升速度明显滞后于参电流上升速度明显滞后于参
10、考电平信号，导致电流变形。考电平信号，导致电流变形。电流上升期间回馈电压电流上升期间回馈电压一直小于参考电压，所以对一直小于参考电压，所以对应的一对应的一对MOSMOS管一直导通。减管一直导通。减小线圈电阻值或加大电压会小线圈电阻值或加大电压会有改善。有改善。电流下降期间需预防参电流下降期间需预防参考电压降到考电压降到0 0点时电流无法降点时电流无法降到到0 0的情况。否则会导致电流的情况。否则会导致电流未减到未减到0 0而开始换向，会产生而开始换向，会产生较大噪声。可以使用快衰减较大噪声。可以使用快衰减或适当增大线圈电阻。也可或适当增大线圈电阻。也可对波形进行校正。对波形进行校正。步进电机仿
11、真模型步进电机仿真模型步进电机仿真分析步进电机仿真分析 低速情况下，电机电流变化率要求较低，电流变化能及时随参考电平信号变化，即低速情况下，电机电流变化率要求较低，电流变化能及时随参考电平信号变化，即电流是标准的正余弦形式。这样转矩大小基本恒定，电机运行平稳，噪音低。通过李沙电流是标准的正余弦形式。这样转矩大小基本恒定，电机运行平稳，噪音低。通过李沙育波形可以间接反应出正余弦和转矩情况。图形较圆，表示电机转矩大小恒定。育波形可以间接反应出正余弦和转矩情况。图形较圆，表示电机转矩大小恒定。步进电机仿真分析步进电机仿真分析 高速情况下，电机电流变化率要求较高，电流变化不能及时随参考电平信号变化，高
12、速情况下，电机电流变化率要求较高，电流变化不能及时随参考电平信号变化，即电流是失真的正余弦形式。这样转矩大小发生规律变化，电机运行出现抖动现象，噪即电流是失真的正余弦形式。这样转矩大小发生规律变化，电机运行出现抖动现象，噪音增大。通过李沙育波形可以看出正余弦和转矩情况，该情况下会出现较大周期性噪声音增大。通过李沙育波形可以看出正余弦和转矩情况，该情况下会出现较大周期性噪声并影响结构寿命。应尽可能避免这种情况发生在机械结构的共振点。并影响结构寿命。应尽可能避免这种情况发生在机械结构的共振点。电机控制看似简单，但涉及到极广泛的学科理论。电、磁、场、材料、电机控制看似简单，但涉及到极广泛的学科理论。
13、电、磁、场、材料、结构、力学、数学、甚至半导体特性结构、力学、数学、甚至半导体特性想深入的进行理解并达到很想深入的进行理解并达到很好的应用效果需要大量的知识积累和大量的实验分析。让电机转起来好的应用效果需要大量的知识积累和大量的实验分析。让电机转起来很容易，但让电机转好却是很有难度的。而且往往随着应用场合的不很容易，但让电机转好却是很有难度的。而且往往随着应用场合的不同，关注点和控制方式也有很大差异。同，关注点和控制方式也有很大差异。通过自建模型结合仿真可以对电机控制有比较好的理解。通过自建模型结合仿真可以对电机控制有比较好的理解。因为接触电机控制时间不长，精力有限，还没来得及深入。理解有误因为接触电机控制时间不长，精力有限，还没来得及深入。理解有误的地方还希望能邮件指正或在个人网页留言。的地方还希望能邮件指正或在个人网页留言。最近比较忙，这份笔记只列出一些简要的知识点和图，适合有一些理最近比较忙，这份笔记只列出一些简要的知识点和图，适合有一些理论基础和实践经验的人看。等过段时间稍轻闲一点的话会整理一份详论基础和实践经验的人看。等过段时间稍轻闲一点的话会整理一份详细些的步进电机控制的资料，到时候会在个人网页里面发布。细些的步进电机控制的资料，到时候会在个人网页里面发布。EMAIL:个人网页：个人网页：结束语结束语