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步进电机驱动方案概述

来源:广州邦控科技作者:未知 字号:[ ]

    众所周知,步进电机的驱动方式有整步,半步,细分驱动。三者即有区别又有联系,目前,市面上很多驱动器支持细分驱动方式。本文主要描述这三种驱动的概述。 
    本文仅供参考,且由广州邦控科技(http://www.bonkon.com)的工程笔记整理所得,如发现错误请联系我们:E-mail: support#bonkon.com。
 
    如下图是两相步进电机的内部定子示意图,为了使电机的转子能够连续、平稳地转动,定子必须产生一个连续、平均的磁场。因为从宏观上看,电机转子始终跟随电机定子合成的磁场方向。如果定子合成的磁场变化太快,转子跟随不上,这时步进电机就出现失步现象。
 步进电机驱动方案概述
    既然电机转子是跟随电机定子磁场转动,而电机定子磁场的强度和方向是由定子合成电流决定且成正比。即只要控制电机的定子电流,则可以达到驱动电机的目的。下图是两相步进电机的电流合成示意图。其中Ia是由A-A`相产生,Ib是由B-B`相产生,它们两个合成后产生的电流I就是电机定子的合成电流,它可以代表电机定子产生磁场的大小和方向。
步进电机驱动方案概述  
    有了以上的步进电机背景描述后,对于步进电机的整步、半步、细分的三种驱动方式,都会是同一种方法,只是电流把一个圆(360°)分割的粗细程序不同。
 
整步驱动
    对于整步驱动方式,电机是走一个整步,如对于一个步进角是3.6°的步进电机,整步驱动是每走一步是走3.6°。
    下图是整步驱动方式中,电机定子的电流次序示意图:
步进电机驱动方案概述  
    由上图可知,整步驱动每一时刻只有一个相通电,所以这种驱动方式的驱动电路可以是很简单,程序代码也是相对容易实现,且由上图可以得到电机整步驱动相序如下:
BB’→A’A→B’B→AA’→BB’
    下图是这种驱动方式的电流矢量分割图: 
 步进电机驱动方案概述
可见,整步驱动方式的电流矢量把一个圆平均分割成四份。
下图是整步驱动方式的A、B相的电流I vs T图:
 步进电机驱动方案概述
可以看出,整步驱动描出的正弦波是粗糙的。使用这种方式驱动步进电机,低速时电机会抖动,噪声会比较大。但是,这种驱动方式无论在硬件或软件上都是相对简单,从而驱动器制造成本容易得到控制。
半步驱动
    对于半步驱动方式,电机是走一个半步,如对于一个步进角是3.6°的步进电机,半步驱动是每走一步,是走1.8°(3.6°/2)。
    下图是半步驱动方式中,电机定子的电流次序示意图:
 步进电机驱动方案概述
    由上图可见,半步驱动方式的比整步驱动方式相对复杂一些,在同一时刻,可能两个相都需要被通电,如果要求电机转动的力矩平稳,则需要在两相同时通电时,通电电流应该为单相通电电流的sin(45°),即√2/2。当然,可以直接通以和单相通电流相等的电流,结果是电机转动过程中的力矩不恒定,但它带来的好处是驱动电路或软件编写的简化。具体应用视实际场合而定。以下是这种的驱动方式的驱动相序:
BB’→BB’ A’A→A’A→B’B A’A→ B’B→B’B AA’→AA’→ AA’ BB’
    如果需要反转,只需按以上相序的逆向进行通电即可。
    当按以上相序对电机通电,产生的电流矢量则可以把一个圆分割成8份,如下图所示:
步进电机驱动方案概述  
    半步驱动一方面使电机的步进分辨率提高了一倍,且电机运转会更为平稳。
    对比地,半步驱动方式的两相电流图如下图所示:
 步进电机驱动方案概述 
    由上图看出,半步驱动方式描出的正弦波较之整步驱动方式,有了改观,提高了精度。这样的好处是在无需更改电机的情况下,电机的步进角分辨率提高了一倍,且电机运行相对安静一些。
 
细分驱动
    如下图,可以看出某种规律:
 步进电机驱动方案概述 
    看上图,电流矢量分割圆越来越稠密,如上图的c。这是4细分驱动的分割图,从宏观上可想象,电机转子走一步的角度将会随着细分数的增加而减小,电机转动也越来越平稳、安静。从某种意义上,整步和半步驱动也是细分驱动的一样,它们的关系就如正方形和长方形的关系。
 步进电机驱动方案概述 
    上图是4细分驱动方式的两相电流图,由图看出,这时每相电流的曲线较半步驱动时的电流曲线更加细腻。 
    电流细分是细分驱动的其中方法,恒流的实现常用斩波驱动,给定的电流是以正弦波分布。另一种为电压细分,这种方法是比正弦波的电压驱动电机的线圈,可以不需要反馈地实现电机的细分驱动,但是由于电机的反电势等的作用,正弦波电压驱动并不能产生正弦波的电流,效果没有电流细分好,但是它的驱动电路相对简单。 
    细分可以提高电机的步进角分辨率,但是,这并不是细分驱动的初衷,而是为了减缓步进电机运转过程的震动和噪声,使电机的力矩输出更平稳。这像数码相机的光学变焦和数字变焦的关系,提高步进系统分辨率最好依靠电机本身和机械结构。

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