步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式有很多種,下文就分別講解恒電壓驅(qū)動方式和恒電流斬波驅(qū)動方式的不同之處。
恒電壓驅(qū)動方式
單電壓驅(qū)動
單電壓驅(qū)動是指在電機(jī)繞組工作過程中,只用一個方向電壓對繞組供電。如圖1所示,L為電機(jī)繞組,VCC為電源。當(dāng)輸入信號In為高電平時,提供足夠大的基極電流使三極管T處于飽和狀態(tài),若忽略其飽和壓降,則電源電壓全部作用在電機(jī)繞組上。當(dāng)In為低電平時,三極管截止,繞組無電流通過。
為使通電時繞組電流迅速達(dá)到預(yù)設(shè)電流,串入電阻Rc;為防止關(guān)斷T時繞組電流變化率太大,而產(chǎn)生很大的反電勢將T擊穿,在繞組的兩端并聯(lián)一個二極管D和電阻Rd,為繞組電流提供一個泄放回路,也稱“續(xù)流回路”。
單電壓功率驅(qū)動電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入電阻后,功耗加大,整個功率驅(qū)動電路的效率較低,僅適合于驅(qū)動小功率步進(jìn)電機(jī)。
高低壓驅(qū)動
為了使通電時繞組能迅速到達(dá)設(shè)定電流,關(guān)斷時繞組電流迅速衰減為零,同時又具有較高的效率,出現(xiàn)了高低壓驅(qū)動方式。
如圖2所示,Th、T1分別為高壓管和低壓管,Vh、V1分別為高低壓電源,Ih、I1分別為高低端的脈沖信號。在導(dǎo)通前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率,而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。高低壓驅(qū)動可獲得較好的高頻特性,但是由于高壓管的導(dǎo)通時間不變,在低頻時,繞組獲得了過多的能量,容易引起振蕩??赏ㄟ^改變其高壓管導(dǎo)通時間來解決低頻振蕩問題,然而其控制電路較單電壓復(fù)雜,可靠性降低,一旦高壓管失控,將會因電流太大損壞電機(jī)。
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2、對比分析:步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路優(yōu)缺點(diǎn)
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3、步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)與的6個不同點(diǎn)
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恒電流斬波驅(qū)動方式
自激式恒電流斬波驅(qū)動
圖3為自激式恒電流斬波驅(qū)動框圖。把步進(jìn)電機(jī)繞組電流值轉(zhuǎn)化為一定比例的電壓,與D/A轉(zhuǎn)換器輸出的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較,控制功率管的開關(guān),從而達(dá)到控制繞組相電流的目的。從理論上講,自激式恒電流斬波驅(qū)動可以將電機(jī)繞組的電流控制在某一恒定值。但由于斬波頻率是可變的,會使繞組激起很高的浪涌電壓,因而對控制電路產(chǎn)生很大的干擾,容易產(chǎn)生振蕩,可靠性大大降低。
它激式恒電流斬波驅(qū)動
為了解決自激式斬波頻率可變引起的浪涌電壓問題,可在D觸發(fā)器加一個固定頻率的時鐘。這樣基本上能解決振蕩問題,但仍然存在一些問題。比如:當(dāng)比較器輸出的導(dǎo)通脈沖剛好介于D觸發(fā)器的2個時鐘上升沿之間時,該控制信號將丟失,一般可通過加大D觸發(fā)器時鐘頻率解決。
細(xì)分驅(qū)動方式
這是本文討論的重點(diǎn),也是該系統(tǒng)采用的驅(qū)動方法。細(xì)分驅(qū)動最主要的優(yōu)點(diǎn)是步距角變小,分辨率提高,且提高了電機(jī)的定位精度、啟動性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩;其次,減弱或消除了步進(jìn)電機(jī)的低頻振動,降低了步進(jìn)電機(jī)在共振區(qū)工作的幾率??梢哉f細(xì)分驅(qū)動技術(shù)是步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動與控制技術(shù)的一個飛躍。
細(xì)分驅(qū)動是指在每次脈沖切換時,不是將繞組的全部電流通入或切除,而是只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分,電動機(jī)的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細(xì)分驅(qū)動時,繞組電流不是一個方波而是階梯波,額定電流是臺階式的投入或切除。比如:電流分成n個臺階,轉(zhuǎn)子則需要n次才轉(zhuǎn)過一個步距角,即n細(xì)分,如圖4所示。
一般的細(xì)分方法只改變某一相的電流,另一相電流保持不變。如圖所示,在O°~45°,Ia保持不變,Ib由O逐級變大;在45°~90°,Ib保持不變,Ia由額定值逐級變?yōu)?。該方法的優(yōu)點(diǎn)是控制較為簡單,在硬件上容易實(shí)現(xiàn);但由圖5所示的電流矢量合成圖可知,所合成的矢量幅值是不斷變化的,輸出力矩也跟著不斷變化,從而引起滯后角的不斷變化。當(dāng)細(xì)分?jǐn)?shù)很大、微步距角非常小時,滯后角變化的差值已大于所要求細(xì)分的微步距角,使得細(xì)分實(shí)際上失去了意義。
這就是目前常用的細(xì)分方法的缺陷,那么有沒有一種方法讓矢量角度變化時同時保持幅值不變呢?由上面分析可知,只改變單一相電流是不可能的,那么同時改變兩相電流呢?即Ia、Ib以某一數(shù)學(xué)關(guān)系同時變化,保證變化過程中合成矢量幅值始終不變。基于此,本文建立一種“額定電流可調(diào)的等角度恒力矩細(xì)分”驅(qū)動方法,以消除力距不斷變化引起滯后角的問題。如圖6所示,隨著A、B兩相相電流Ia、Ib的合成矢量角度不斷變化,其幅值始終為圓的半徑。
下面介紹合成矢量幅值保持不變的數(shù)學(xué)模型:當(dāng)Ia=Im·cosx,Ib=Im·sinx時(式中Im為電流額定值,Ia、Ib為實(shí)際的相電流,x由細(xì)分?jǐn)?shù)決定),其合成矢量始終為圓的半徑,即恒力距。
等角度是指合成的力臂每次旋轉(zhuǎn)的角度一樣。額定電流可調(diào)是指可滿足各種系列電機(jī)的要求。例如,86系列電機(jī)的額定電流為6~8 A,而57系列電機(jī)一般不超過6 A,驅(qū)動器有各種檔位電流可供選擇。細(xì)分為對額定電流的細(xì)分。
為實(shí)現(xiàn)“額定電流可調(diào)的等角度恒力距”,理論上只要各相相電流能夠滿足以上的數(shù)學(xué)模型即可。這就要求電流控制精度非常高,不然Ia、Ib所合成的矢量角將出現(xiàn)偏差,即各步步距角不等,細(xì)分也失去了意義。
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步進(jìn)電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)有步距角(涉及到相數(shù))、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定,步進(jìn)電機(jī)的型號便確定下來了。
1、步距角的選擇
電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求,將負(fù)載的最小分辨率(當(dāng)量)換算到電機(jī)軸上,每個當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度(包括減速)。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度(五相電機(jī))、0.9度/1.8度(二、四相電機(jī))、1.5度/3度(三相電機(jī))等。
2、靜力矩的選擇
步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩一下子很難確定,我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載,而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動時(一般由低速)時二種負(fù)載均要考慮,加速起動時主要考慮慣性負(fù)載,恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下,靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好,靜力矩一旦選定,電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來(幾何尺寸)
3、電流的選擇
靜力矩一樣的電機(jī),由于電流參數(shù)不同,其運(yùn)行特性差別很大,可依據(jù)矩頻特性曲線圖,判斷電機(jī)的電流。
4、力矩與功率換算
步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的,一般只用力矩來衡量,力矩與功率換算如下:
p= ω·m
ω=2π·n/60
p=2πnm/60
其p為功率單位為瓦,ω為每秒角速度,單位為弧度,n為每分鐘轉(zhuǎn)速,m為力矩單位為牛頓·米
p=2πfm/400(半步工作)
其中f為每秒脈沖數(shù)(簡稱pps)
步進(jìn)電機(jī)在應(yīng)用中的注意點(diǎn)
1、步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn),(0.9度時6666pps),最好在1000-3000pps(0.9度)間使用,可通過減速裝置使其在此間工作,此時電機(jī)工作效率高,噪音低。
2、步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài),整步狀態(tài)時振動大。
3、由于歷史原因,只有標(biāo)稱為12v電壓的電機(jī)使用12v外,其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值 ,可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓(建議:57byg采用直流24v-36v,86byg采用直流50v,110byg采用高于直流80v),當(dāng)然12伏的電壓除12v恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源, 不過要考慮溫升。
4、轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號電機(jī)。
5、電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時,一般不在工作速度起動,而采用逐漸升頻提速,一電機(jī)不失步,二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。
6、高精度時,應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動器來解決,也可以采用5相電機(jī),不過其整個系統(tǒng)的價格較貴,生產(chǎn)廠家少,其被淘汰的說法是外行話。
7、電機(jī)不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作,如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。
8、電機(jī)在600pps(0.9度)以下工作,應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。
9、應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動的原則。
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步進(jìn)電機(jī)調(diào)速注意特點(diǎn)
步進(jìn)電機(jī)高速不能直接使用普通的交直流電源,需要專用的伺服控制器,應(yīng)注意以下特點(diǎn):
1、可以用數(shù)字信號直接進(jìn)行開環(huán)控制,整個系統(tǒng)簡單廉價,位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應(yīng),步距誤差不長期積累,開環(huán)控制系統(tǒng)既簡單又具有一定的精度; 在要求更高精度時,也可以采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。
2、由于步進(jìn)電機(jī)無刷,因此本體部件少,可靠性高。
3、易于起動,停止,正反轉(zhuǎn),速度響應(yīng)性好;停止時一般有自鎖能力。
4、步距角可在大范圍內(nèi)選擇,在小步距情況下,能夠在超低轉(zhuǎn)速下高轉(zhuǎn)距穩(wěn)定運(yùn)行,可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動負(fù)載。
5、速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié), 可以用一臺控制器同時控制幾臺步進(jìn)電機(jī)完全同步運(yùn)行。
6、步進(jìn)電機(jī)帶慣性負(fù)載能力較差,由于存在失步和共振問題,步進(jìn)電機(jī)的加減速方法在不同的應(yīng)用狀態(tài)下,情況較為復(fù)雜。
步進(jìn)電機(jī)定位不準(zhǔn)怎么辦?
在調(diào)機(jī)過程中發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)定位不準(zhǔn)現(xiàn)象怎么辦?一般由以下幾方面原因引起:
1、 改變方向時丟脈沖,表現(xiàn)為往任何一個方向都準(zhǔn),但一改變方向就累計(jì)偏差,并且次數(shù)越多偏得越多;
2、 初速度太高,加速度太大,引起有時丟步;
3、 在用同步帶的場合軟件補(bǔ)償太多或太少;
4、 馬達(dá)力量不夠;
5、 控制器受干擾引起誤動作;
6、 驅(qū)動器受干擾引起;
7、 軟件缺陷;
針對以上問題分析如下:
1)一般的步進(jìn)驅(qū)動器對方向和脈沖信號都有一定的要求,如:方向信號在第一個脈沖上升沿或下降沿(不同的驅(qū)動器要求不一樣)到來前數(shù)微秒被確定,否則會有一個脈沖所運(yùn)轉(zhuǎn)的角度與實(shí)際需要的轉(zhuǎn)向相反,最后故障現(xiàn)象表現(xiàn)為越走越偏,細(xì)分越小越明顯,解決辦法主要用軟件改變發(fā)脈沖的邏輯或加延時。
2)由于步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)決定初速度不能太高,尤其帶的負(fù)載慣量較大情況下,建議初速度在1r/s以下,這樣沖擊較小,同樣加速度太大對系統(tǒng)沖擊也大,容易過沖,導(dǎo)致定位不準(zhǔn);電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間應(yīng)有一定的暫停時間,若沒有就會因反向加速度太大引起過沖。
3)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整被償參數(shù)值,(因?yàn)橥綆椥孕巫冚^大,所以改變方向時需加一定的補(bǔ)償)。
4)適當(dāng)?shù)卦龃篑R達(dá)電流,提高驅(qū)動器電壓(注意選配驅(qū)動器),選扭矩大一些的馬達(dá)。
5)系統(tǒng)的干擾引起控制器或驅(qū)動器的誤動作,我們只能想辦法找出干擾源,降低其干擾能力(如屏蔽,加大間隔距離等),切斷傳播途徑,提高自身的抗干擾能力,常見措施:
①用雙紋屏蔽線代替普通導(dǎo)線,系統(tǒng)中信號線與大電流或大電壓變化導(dǎo)線分開布線,降低電磁干擾能力。
②用電源濾波器把來自電網(wǎng)的干擾波濾掉,在條件許可下各大用電設(shè)備的輸入端加電源濾波器,降低系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備之間的干擾。
③設(shè)備之間最好用光電隔離器件進(jìn)行信號傳送,在條件許可下,脈沖和方向信號最好用差分方式加光電隔離進(jìn)行信號傳送。在感性負(fù)載(如電磁繼電器、電磁閥)兩端加阻容吸收或快速泄放電路,感性負(fù)載在開頭瞬間能產(chǎn)生10~100倍的尖峰電壓,如果工作頻率在20KHZ以上。
6)軟件做一些容錯處理,把干擾帶來影響消除。