步進電機細分步進驅動

發(fā)布時間:2024-03-02
細分步進驅動有時也被稱為微動驅動,最近已統(tǒng)一為細分步進驅動。細分步進驅動是將全步進驅動時的步距角各相的電流以階梯狀n步逐漸增加,使吸引轉子的力慢慢改變,每次轉子在該力的平衡點靜止,全步距角作n個細分,可使轉子運行效果光滑,因此,在低速運轉時,此法可認為是降低振動的有效手段之一。
下圖表示兩相式步進電機的4細分微步進的各相電流波形的概念圖。各相電流值的峰值相等,相位偏差90°。此電流的大小并非必須均等增加,通常其平均曲線會變成正弦波。
改變此電流值的手段與前文所示電路圖的恒電流斬波器部分相同,預先控制輸出電路,確定電流波形。上圖所示為供給2相式步進電機細分電流,下圖為轉子細分步進的情況。
上圖中,1為前文第一張圖的a相電流峰值時的狀態(tài);2為a相電流由1段的峰值電流減少變成3/4階段的電流,同時b相的電流從零開始增加到1/4的峰值電流的過程;3為a相電流由峰值電流下降到1/2峰值, b相的電流上升到峰值的1/2,兩電流相等的狀態(tài);4為a相電流由繼續(xù) 下降成1/4峰值,b相電流上升到3/4峰值的狀態(tài);5為a相電流由峰值時電流減少變成零,b相的電流增加變成峰值時狀態(tài)。定子的各相激磁電流大小與相對應轉子步進情況如本文第一圖所示。
此時,簡化圖,a相b相的節(jié)距θ0作步距角,轉子每次電流各變化一次,每步進θ0/4,即已知步距角的四分之一。一般使用這種細分方法,可以使電流波形能夠接近正弦波。此處增加細分步級的細分量,電流能近似正弦波,旋轉轉矩也能得到正弦波變化。
2相步進電機的交鏈磁通與電流模型如下圖所示。
電流以角速度ω表示,a相比b相超前(π/2),電流公式如下所示:
ia=icosωt
ib=isinωt
激磁磁通在a相與b相交鏈部分,考慮相位相差π/2,根據(jù)上圖變成下式:
φa=φcosθ
φb=φsinθ
設a相轉矩為ta,b相轉矩為tb,2相微步進驅動時的合成轉矩為t2,考慮最簡單模型,令式(t1=nnri(dφ/dθ))中的n=1,nr=l,則轉矩公式如下所示:
轉子與定子的轉動磁場同步,以負載角δ(如前文《pm型電機轉矩的產(chǎn)生及負載角》及文《hb型電機的轉矩與負載關系》的圖中δ)轉動,下式成立:
θ=ωt-δ
將上式3代入式1、式2,及θ=ωt-δ得下式:
即t2為含ω的項消去,δ取一定值,能得到近似正弦波的轉矩。上式(t2=iφsinδ)表示前文《pm型電機轉矩的產(chǎn)生及負載角》及文《hb型電機的轉矩與負載關系》的圖中轉矩,如增加負載,δ也增加,至π/2時為其最大值。
以上細分步進驅動方式是降低振動極為有效的手段。此時,永久磁鐵所產(chǎn)生的磁通分布假定為正弦波。hb型步進電機的轉子在dq軸方向分離成兩個磁通,并且磁極上有很多的齒,容易產(chǎn)生高次諧波,因此,除式t2=iφsinδ所示的值外,還含有其他頻率成分的磁場。
如上所述的細分步進驅動,降低振動的要點如下:
第一、細分步進越是在低速運行時效果越好。2相步距角0.9°(定子主極數(shù)16)的步進電機轉速約150rpm以上,其減少振動量的效果就不明顯。如輸入脈沖頻率太快,對細分步進波形來說,由于不能得到希望的電流波形,會使電機跟蹤精度變差。
第二、細分步進的細分數(shù)與降低振動效果:理論上細分數(shù)越多,降低振動的效果越明顯,但實際到8細分時效果變化并不大。例如8細分與16細分以上不會有效果的差別(即沒有什么效果變化)。下圖表示兩相hb型16主極的0.9°步進電機細分數(shù)與速度波動的圖像;
下圖表示改變細分數(shù)與轉子速度變化情況,電機同樣為兩相hb型16主極的0.9° 步進電機。兩者皆為2相激磁,1-2相激磁,4細分時沒有看到大的差別。由上圖可以看出,轉數(shù)在150rpm以上時,步距角為0.9°的電機雖然激磁方式發(fā)生變化,但速度變化差別不大。
下圖表示三相hb型步距角3.75°時的全步距角,2細分、4細分、8細分時的電流波形和電機轉動角的波形??梢钥闯?,電流波形8細分時接近正弦波。細分步進的細分數(shù)是決定驅動電路的復雜程度和成本的原因之一,應該根據(jù)使用目的和轉速來合理選用不同的驅動電路。
第三、細分的角度雖然能定位,但其精度不高,因此定位控制時,用細分的2相或1相導通方式來定位。
第四、相同情況下,細分步進時的各步(step)暫態(tài)特性因包含1相激磁或2相激磁等工作狀態(tài),故過渡過程并不一樣。此種情況如下圖所示。
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