自激式恒電流斬波驅動

    圖3為自激式恒電流斬波驅動框圖。把步進電機繞組電流值轉化為一定比例的電壓，與D/A轉換器輸出的預設值進行比較，控制功率管的開關，從而達到控 制繞組相電流的目的。從理論上講，自激式恒電流斬波驅動可以將電機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 而對控制電路產生很大的干擾，容易產生振蕩，可靠性大大降低。

    圖4：自激式恒電流斬波驅動框圖

    它激式恒電流斬波驅動

    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：當比較器輸出的導通脈沖剛好介于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。

    細分驅動方式

    細分驅動技術又稱為微步距控制技術，是步進電動機開環(huán)控制的一項新技術，利用計算機數字處理技術和D/A轉換技術，將各相繞組電流通過PWM控制，獲得按規(guī)律改變其幅值的大小和方向，實現(xiàn)將步進電動機一個整步均分為若干個更細的微步。每個微步距可能是原來基本步距的數十分之一，甚至是數百分之一。

    步進電機的細分技術實質上是一種電子阻尼技術，其  主要的優(yōu)點是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機的定位  、啟動性能和高頻輸出轉矩;其次，減弱或消除了步進電機的低頻振動，降低了步進電機在共振區(qū)工作的幾率。可以說細分驅動技術是步進電動機驅動與控制技術的一個飛躍。

    細分驅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，而是只改變相應繞組中電流的一部分，電動機的合成磁勢也只旋轉步距角的一部分。細分驅動時，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，轉子則需要n次才轉過一個步距角，即n細分，如圖4 所示。

    圖5：二相電機細分電流階梯波

    一般的細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)點是控制較為簡單，在硬件上容易實現(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。當細分數很大、微步距角非常小時，滯后角變化的差值已大于所要求細分的微步距角，使得細分實際上失去 了意義。

    這就是目前常用的細分方法的缺陷，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以某一數學關系同時變化，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“額定電流可調的等角度恒力矩細分”驅 動方法，以消除力距不斷變化引起滯后角的問題。如圖所示，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。

    二相電機相電流矢量合成圖 

    下面介紹合成矢量幅值保持不變的數學模型：當Ia=Im·cosx，Ib=Im·sinx時(式中Im為電流額定值，Ia、Ib為實際的相電流，x由細分數決定)，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的角度一樣。額定電流可調是指可滿足各種系列電機的要求。例如，86系列電機的額定電流為6～8 A，而57系列電機一般不超過6 A，驅動器有各種檔位電流可供選擇。細分為對額定電流的細分。

    為實現(xiàn)“額定電流可調的等角度恒力距”，理論上只要各相相電流能夠滿足以上的數學模型即可。這就要求電流控制  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，細分也失去了意義。

    步進電機的選擇

    步進電機有步距角(涉及到相數)、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。

    1、步距角的選擇

    電機的步距角取決于負載  的要求，將負載的  小分辨率(當量)換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度(包括減速)。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度(五相電機)、0.9度/1.8度(二、四相電機)、1.5度/3度(三相電機) 等。

    2、靜力矩的選擇

    步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時(一般由低速)時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機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，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流。

    4、力矩與功率換算

    步進電機一般在較大范圍內調速使用、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(簡稱pps)

    步進電機在應用中的注意點

    1、步進電機應用于低速場合---每分鐘轉速不超過1000轉，(0.9度時6666pps)，  在1000-3000pps(0.9度)間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。

    2、步進電機  不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。

    3、由于歷史原因，只有標稱為12v電壓的電機使用12v外，其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值，可根據驅動器選擇驅動電壓(建議：57byg 采用直流24v-36v，86byg采用直流50v,110byg采用高于直流80v)，當然12伏的電壓除12v恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源，不過要考慮溫升。

    4、轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。

    5、電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位  。

    6、高  時，應通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數的驅動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產廠家少，其被淘汰的說法是外行話。

    7、電機不應在振動區(qū)內工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。

    8、電機在600pps(0.9度)以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來驅動。

    9、應遵循先選電機后選驅動的原則。

    步進電機調速注意特點

    步進電機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，應注意以下特點：

    1、可以用數字信號直接進行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)簡單廉價，位移與輸入脈沖信號數相對應，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  ; 在要求更高  時，也可以采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。

    2、由于步進電機無刷，因此本體部件少，可靠性高。

    3、易于起動，停止，正反轉，速度響應性好;停止時一般有自鎖能力。

    4、步距角可在大范圍內選擇，在小步距情況下，能夠在超低轉速下高轉距穩(wěn)定運行，可以不經減速器直接驅動負載。

    5、速度可在相當寬范圍內平滑調節(jié)， 可以用一臺控制器同時控制幾臺步進電機完全同步運行。

    6、步進電機帶慣性負載能力較差，由于存在失步和共振問題，步進電機的加減速方法在不同的應用狀態(tài)下，情況較為復雜。

    步進電機定位不準怎么辦?

    在調機過程中發(fā)現(xiàn)步進電機定位不準現(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，但一改變方向就累計偏差，并且次數越多偏得越多;

    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償太多或太少;

    4、 馬達力量不夠;

    5、 控制器受干擾引起誤動作;

    6、 驅動器受干擾引起;

    7、 軟件缺陷;

    針對以上問題分析如下：

    1)一般的步進驅動器對方向和脈沖信號都有一定的要求，如：方向信號在  個脈沖上升沿或下降沿(不同的驅動器要求不一樣)到來前數微秒被確定，否則會有一個脈沖所運轉的角度與實際需要的轉向相反，  故障現(xiàn)象表現(xiàn)為越走越偏，細分越小越明顯，解決辦法主要用軟件改變發(fā)脈沖的邏輯或加延時。

    2)由于步進電機特點決定初速度不能太高，尤其帶的負載慣量較大情況下,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，導致定位不準;電機正轉和反轉之間應有一定的暫停時間,若沒有就會因反向加速度太大引起過沖。

    3)根據實際情況調整被償參數值，(因為同步帶彈性形變較大，所以改變方向時需加一定的補償)。

    4)適當地增大馬達電流，提高驅動器電壓(注意選配驅動器)，選扭矩大一些的馬達。

    5)系統(tǒng)的干擾引起控制器或驅動器的誤動作，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線，系統(tǒng)中信號線與大電流或大電壓變化導線分開布線，降低電磁干擾能力。

    ②用電源濾波器把來自電網的干擾波濾掉，在條件許可下各大用電設備的輸入端加電源濾波器，降低系統(tǒng)內各設備之間的干擾。

    ③設備之間  用光電隔離器件進行信號傳送，在條件許可下，脈沖和方向信號  用差分方式加光電隔離進行信號傳送。在感性負載(如電磁繼電器、電磁閥)兩端加阻容吸收或快速泄放電路，感性負載在開頭瞬間能產生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。