基于FPGA步进电机细分驱动控制(3)

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2.2.1永磁式步进电机

转子上安装永久磁钢的步进电机叫做永磁式步进电机。其定子上绕有绕组，转子装有磁钢，转子上磁钢的极数与定子每相绕组的极数相同。当电流从A端流入，O端流出，此时，磁极1, 3, 5, 7分别呈现S, N, S, N极性，定、转子磁场相互作用，产生整步转距，使转子转到定子和转子磁极间能产生最大吸引力的位置。当A端断开正脉冲信号，并且电流从B端流入，O端流出，磁极2, 4, 6, 8分别呈现S, N, S, N极性，即定子磁场轴线沿顺时针方向转动45度,整步转矩使转子也顺时针方向转动45度，以保持定、转子磁极间吸引力最大。接着B端断开正脉冲，并且电流从O端流入，A端流出，磁极1, 3, 5, 7分别呈现N, S, N, S极性，定子磁场轴线又沿顺时针方向转动45度，转子也同样转动45度。依此类推，当定子绕组按A+，B+，A-，B-，A相(假设电流从某相流入电机为正，流出为负)的顺序输入脉冲信号，转子将按顺时针方向做步进运动，这种通电方式称为二相四拍，还有双四拍工作方式，其通电顺序为：A+B+, B+A-, A-B-, B-A-。

图2-1永磁式步进电机

一般来说，在不同的相数和极数时，步距角为 ??360

mp式中m表示为拍数;

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P表示为极对数

永磁式步进电机具有动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步距角大(一般为7.5度或15度)，另外需要驱动电源提供正，负脉冲。这使驱动电源线路复杂化。由于以上原因，永磁式步进电机在需要精确定位的场合使用不多。

2.2.2反应式步进电机

反应式步进电机又称为磁阻式步进电机，电机中仅定子有磁性，转子由铁心组成，无磁性。电机转矩是基于磁阻最小的原理产生的。一台三相反应式步进电机它的定子上有三对磁极，每一对磁极上绕着一相绕组，绕组通电时，这两个磁极的极性相反绕组接成星形。转子铁心及定子极靴上有小齿，定转子齿距通常相等。转子铁心上没有绕组，转子齿数为40，每一个齿距对应的空间角度为360?9

4000当某一相绕组通电，例如A相绕组通电时，电动机内建立以AA为轴线的磁场，由于定转子上均有齿和槽，所以当定转子齿的相对位置不同时，磁路的磁导也不同，定转子齿对齿处的每个极磁导为最大，定转子齿对槽处的每个极磁导为最小。转子的稳定平衡位置是使通电相磁路的磁导为最大的位置，所以A相通电时，转子处于A相极下定转子齿对齿的位置。

B相绕组的轴线，与A相绕组的轴线的夹角为120度。中间包含的齿距数为120/9=13+1/3齿距，即当A相极下定转子齿对齿时，B相磁极上定子齿的轴线，沿ABC方向超前转子齿的轴线1/3齿距；C相磁极上定子齿的轴线，则沿ABC方向超前转子齿的轴线2/3齿距。在 A 相断电的同时，给B相通电，则建立以BB为轴线的磁场，磁场沿ABC方向转过了120度空间角。此时，转子齿的轴线将力求与B相磁极上定子齿的轴线对齐，以达到稳定平衡位置。很显然，比起A相通电时，即比起上图所示的位置来，转子沿ABC方向转过1/3齿距。

相似地在B相断电的同时，给C相通电，则建立磁场的轴线的CC'方向，转子又沿ABC方向转过1/3齿距，以使C相极定转子齿对齿。可见 ，在连续不断地按A-B-C-A 的顺序分别给各相绕组通电时，电机内磁场的轴线沿ABC方向不断转动，且每改变通电状态一次时，转过的角度为二相磁极轴线间的夹角120度而转子则每次转过1/3齿距，即3度空间角。当定子各相轮流通电完成一个循环时，磁场沿ABC方向转过360

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度空间角，转子沿ABC方向转过一个齿距磁场速度与转子转速的速比等于转子齿数。若用 m 表示运行拍数，z表示转子齿数，则每改变一次通电状态时转子转过角度的平

均值即为步距角θ，可表示为： ??360

mz可看出，拍数和转子齿数不同时，步距角不同，且步距角与拍数或转子齿数成反比。反应式步进电机优点是步距角小、启动和运行频率高，缺点是断电时无定位转矩，消耗的功率比较大。

02.2.3混合式步进电机

混合式步进电机也是大家熟知的同步感应子电机，美国习惯于将这种电机称为永磁步进电机，一般当作低速同步电机用，当相绕组正常励磁时也有步进能力。

这种步进电机通常有多相绕组，类似反应式的。定子则与反应式的完全一样，只是在转子上有永久磁铁或者单独的直流线圈产生的轴向磁场，它们的结构分别对应于图2-1和2-2所示。图中单向磁场的磁通均用虚线表示。此时，表示出了这是一台两相，每相4极绕组的步进电机。图中转子齿数Nr=50；定子实际上仅40个齿，每极5齿。但对于一个完整的定子圆周应有48个齿。由于嵌线需要在每个磁极上去掉一个

齿。

图2-2混合步进电机的结构图

一般，对特定的四相步进电机，定子绕组每相q个极与定子齿数Ns和转子齿数

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Nr的关系可得到Ns=Nr+k

图2-3混合步进电机的剖视图

转子齿之一与磁极N1的中心线对齐，同样也与凸极N5对齐；此时凸极S8和S7的中心齿离转子最近为半个转子齿距。因此，这些齿是处在磁阻最大位置上。该步进电机具有两段不同的转子，且两段转子相互错开半个转子齿。所以，在B-B'截面处，凸极N1和N5的中心齿相对于转子齿正处在最大磁阻位置；而S3和S7下的齿正处在最小磁阻位置。由定子绕组产生交变磁通的磁路也在图2-3中表示。直流磁通和交流磁通相组合，作用在气隙里，由于交流磁通不通过永磁体，故无去磁效应。

2.3步进电机驱动技术概述

步进电机驱动技术指的步进电机驱动器的驱动级用来实现对步进电机各相绕组的导通和截止，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。步进电机驱动器通过外加控制脉冲，并按环形分配器决定的分配方式，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动，步距角的大小有两种，即整步和半步。步距角由电动机的结构确定，一经设计完成后，只能改变脉冲的频率实现调速，从而造成了使用的单一性。同时绕组电流为方波，造成很大的转矩脉动，这种运动给步进电机的应用带来不少的弊病，最为显著的就是低频振荡现象。为了改善这个问题，出现了一种新型驱动方式，就是细分驱动技术。所谓细分驱动就是把步进电机的一步细分为若干步，这样步进电机的运动近似地变为匀速运动，并能使它在任何位置停步，实现

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微量进给。为了减小步距角，单从电机本体来解决是有限度的，于是设法将供电的矩形电流波改为阶梯状的电流波，这样在输入电流的每一个阶梯时，电机的偏转角减小，从而大大改变步进电机的低频特性。

细分驱动的思想早在六十年代就已经提出，但由于当时没有低成本的集成电路和优异的功率开关器件而未能付诸实施。七十年代后期，单片机技术日趋成熟和普及化，促进细分驱动技术的蓬勃发展。随着电流跟踪型PWM控制技术的发展以及恒流斩波技术的成熟，使得以恒流斩波技术为基础来控制绕组电流成阶梯状的细分驱动技术得到了广泛的应用，从而使得电动机的每转步数不受电机本体结构的限制。细分运行方式存在多种形式，但是三相混合式步进电机驱动系统的最佳细分方式是等步距角、等转矩的均匀细分运行方式。均匀细分运行方式的本质与电机理论中圆形旋转磁场的形成是一致的。

到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。

单电压驱动是指在电动机绕组的工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。它的优点是线路简单、成本低、低频时响应较好，缺点主要是存在共振区以及高频时带动负载的能力迅速下降。这种驱动方式目前很少被采用。

单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。

高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高控制力，而不是通过改善电路的时间常数来使性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。

针对高低压驱动的缺陷，斩波恒流驱动采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿波形波动，电流绕组的有效电流相应的增加，故电机的输出转矩增大，能基本上保持恒定，而且不需外接电阻，取样电阻又很小，因此整个系统的功耗非常小，电源

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