步进电机驱动器

1步进电机驱动学生：周宁指导老师：吴海彬专业：测试计量技术及仪器目录1、步进电动机及其工作原理介绍2、步进电机驱动器的主要工作原理3、恒压与恒流驱动4、节拍、步距角、细分5、单极与双极驱动6、驱动器产品的使用方法1、步进电动机介绍1.1、介绍步进电动机属于断续运转的同步发动机。它将输入的脉冲信号变换为阶跃的角位移或直线位移，也就是给一个脉冲信号，电动机就转一个角度或者前进一步，因此这种电动机叫步进电动机。因为它输入的既不是正弦交流，也不是恒定直流，而是脉冲电流，所以又叫做脉冲电动机。它是数字控制系统中的一种重要的执行元件，主要用于开环控制系统，也可用于闭环系统。1.2、内部结构1.3、步进电机工作特性1、来一个脉冲，转一个步距角。2、控制脉冲频率，可控制电机的转速。3、改变脉冲顺序，改变转动方向。4、角位移量或线位移量与电脉冲数成正比5、误差不累积，一般为步距角的3%-5%2、步进电动机驱动介绍2.1、步进电机控制系统步进电机是直流电驱动的同步电机，它不能直接由直流电源来驱动，需要配置步进驱动器才能运行。2.2、步进电机驱动器原理图步进电机驱动器：是一种能使步进电机运转的功率放大器，能把控制器发来的脉冲信号转化为步进电动机的角位移的执行机构，电机的转速与脉冲频率成正比，所以控制脉冲频率就可以精准的调速，控制脉冲数就可以精准定位。2.3、环形分配器、功率放大器环形分配器：将来自控制电路的一系列脉冲信号转换成控制步进电机定子绕组通、断电的电平信号，并按一定的规律分配给步进电动机驱动器的各项输入端。环形分配器的输出既是周期的，又是可逆的。功率放大器：将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器组成。3、恒流驱动与恒压驱动步进电机驱动步进电机内部的绕组是一个感性负载，采用恒压源供电时，电流的建立过程较长，也就是说力矩的建立过程较长，这就限制了最高转速，因此在转速要求不高的情况下可用恒压源供电；为了使步进电机能快速反应，有的线路采取双电源供电，就是把一个供电过程分成两个阶段，先加较高的电压，以便快速建立电流，当电流达到预定值，再切换为较低的电压；当然也可采用恒流源供电，但这个恒流源不是普通的恒流源，而是针对该步进电机专门设计的，最大输出电压符合电机允许的最高电压，电流也符合电机的正常工作电流。3.1、恒电压驱动1、使用外加电阻的驱动步进电机的绕组使用粗导线时，线圈𝑅𝑤值很小，如图所示。在各相线圈中，串联外部电阻R，为的是限制绕组流过的电流小于额定电流I。限制绕组流过电流的方法，可采用降低电源电压和串联外部电阻R的两种方法。3.1.1、使用外加电阻的驱动假设步进电机的线圈电感为L，绕组电阻为𝑅𝑤，电气时间常数为𝜏，外加电阻为R时，电气时间常数公式如下：𝜏=𝐿𝑅𝑊+𝑅3.1.2、无外加电阻驱动步进电机只有运行在低速下，才不需要外加电阻，线圈直接用电源电压外加功率半导体作恒压驱动，此时步进电机的线圈导线半径较细，匝数较多，电阻值较大。此方法多用于小电流低速驱动方式。3.1.3、步进电机的驱动电源单一电压型驱动电源：电容C可强迫控制电流快速上升，使电流波形前沿更陡，改善波形。当三极管𝑉𝑇1由导通切换到关闭时，在控制绕组中会产生很高的电动势，其极性与电源极性一致，二者叠加起来作用到𝑉𝑇1上，很容易将其击穿。所以并联一个𝑉𝐷1和电阻𝑅𝑓2形成放电回路。（a）单一电压型驱动电源3.1.3、步进电机的驱动电源（b）高、低压切换型驱动电源高、低压切换型驱动电源：高压供电用来加快电流的上升速度，改善电流波形的前沿，低压是为了维持稳定的电流值。控制信号消失时，𝑉𝑇2截止，绕组中的电流经二极管𝑉𝐷2以及电阻𝑅𝑓2向高压电源放点，电流就迅速下降。这种电源效率较高，启动和运行频率也比单一电压型电源要高。3.2、恒电流斩波器驱动额定电流或设置的驱动电流值为𝐼0时，加电压在绕圈上，若超过所设定的电流值𝐼0，则把所加的电压V关断，使电流减小，若低于所设定的电流值𝐼0,则把所加电压V打开，使电流再增加至所设定的电流值𝐼0。如此反复，使𝐼0为恒定电流。（a）恒电流斩波器驱动原理3.2、恒电流斩波器驱动（b）恒电流斩波器驱动电路图（a）恒电流斩波器驱动原理4、节拍、步距角、细分驱动电机主要性能指标相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有两相、三相、五相步进电机。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数。步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移。节拍单相轮流通电（M相单M拍）顺时针轮回ABCA逆时针轮回ACBA双相轮流通电（M相双M拍）顺时针轮回ABBCCAAB逆时针轮回ACCBBAAC单双相轮流通电（M相2M拍）顺时针轮回AABBBCCCAA逆时针轮回AACCCBBBAA3相单3拍——两转子齿定子通电顺序：转子旋转方向：顺时针步距角：𝜃=60°3相单3拍——两转子齿定子通电顺序：转子旋转方向：逆时针步距角：𝜃=60°3相双3拍——两转子齿定子通电顺序：转子旋转方向：顺时针步距角：𝜃=60°3相双3拍——两转子齿定子通电顺序：转子旋转方向：逆时针步距角：𝜃=60°3相6拍——两转子齿定子通电顺序：转子旋转方向：顺时针步距角：𝜃=30°3相6拍——两转子齿定子通电顺序：转子旋转方向：逆时针步距角：𝜃=30°3相单3拍——两转子齿和四转子齿步距角：𝜃=60°步距角：𝜃=30°步距角转子齿数越多，步距角𝜃越小定子相数越多，步距角𝜃越小通电方式的节拍越多，步距角𝜃越小式中：m—定子相数z—转子齿数c—通电方式c=1单相轮流通电、双相轮流通电方式c=2单、双相轮流通电方式细分驱动细分驱动：细分步进驱动是将全步进驱动时的步距角个相的电流以阶梯状n步逐渐增加，使吸引转子的力慢慢改变，每次转子在该力的平衡点静止，全步距角作n个细分，可使转子的运转效果光滑。优点：采用细分驱动技术可以大大提高步进电机的步距分辨率，减少转矩波动，避免低频共振以及降低运行噪声。（a）4细分微步进的电流波形细分驱动（a）4细分微步进的电流波形（b）4细分微步进的转子步进细分驱动实用公式：转速（r/s）=脉冲频率/(电机每转整步数*细分数)𝑉𝑟𝑠=𝑃𝜃𝑒360×𝑚V:电机转速（R/S）；P：脉冲频率（Hz）；𝜃𝑒：电机固有步距角；m:细分数（整步为1，半步为2）；3相单3拍定子通电顺序：定子磁极极性切换步进电机定子磁极吸引转子时，由于转子磁极为永久磁极，有磁化的N极和S极，不论定子绕组激磁所产生极性为N极还是S极均会产生吸引力。定子磁极激磁为N极时，吸引S极性转子磁极，激磁S极性的定子磁极会吸引转子的N磁极。因此，定子磁极需要极性的切换。5、单极与双极驱动5、单极驱动与双极驱动单极性方式：磁极上绕有两个线圈组成双线圈，一个线圈直流通电产生的极性，与另一个线圈直流通电产生的极性相反，此为单极性方式。双极性方式：激磁定子磁极的线圈为单线圈绕组，磁极正反切换，则电流需要正反向流（a）单极与双极绕组步进电机驱动(b)单极与双极电路与电压波形单极方式时，两个绕组同时绕制。C端接电源正极。单极若A端子和A端子如果同时通电，主极的合成磁通相互抵消，只产生线圈的铜耗。双极时驱动电路开关管的数量是单极的两倍。𝑇𝑟1与𝑇𝑟4或𝑇𝑟2与𝑇𝑟3同时而且交替导通。双极时𝑇𝑟1与𝑇𝑟3同时接通时会产生很大的电流，会短路。6、步进电机驱动器的使用方法6.1、驱动器产品接线方式共阴极接线共阳极接线差分方式接线法6.2、电路图共阳极接线共阴极接线6.2、电路图差分接线6.2、电机的接线6.3、电路图6.4、实物图（57步进电机+6560v4驱动器+步进电机控制器）ThankYou!