步进电机细分控制原理

步进电机细分控制原理

时间：2011-11-24

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关键字：步进电机 控制原理

步进电机控制已经蕴含了细分的原理。电机内部磁场每旋转一个圆周, 步进电机前进一整个步距角。若四相步进电机按A→B→C→D→A 的顺序轮流通电, 即整步工作, 磁场分四拍旋转, 每次电流换向, 步进电机将前进整步距角的1/4。而按A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A 的顺序轮流通电, 即半步工作, 每次电流换向, 步进电机将前进整步距角的1/8。

但是, 如果半步工作状态下每拍前进的角度超过控制精度要求, 则需要对步距角进行更进一步的细分。我们知道, 电磁力的大小跟绕组通电电流的大小是相关的。当通电相的电流不马上到达峰值, 而断电相的电流也不立

即降为零时, 电机内部磁场为上两相电流共同合成, 而产生的磁场合力, 会使转子有一个新的平衡位置, 这个新的平衡位置在原步距角的范围内。也就是说, 如果绕组电流的波形不再是一个近似方波, 而是分成N 个阶梯的近似阶梯波, 则电流每升或者降一个阶梯时, 转子转动一小步。当转子按照这个规律转过N 小步时, 实际相当于它转过一个步距角。这种将一个步距角分成若干小步的驱动方法, 称为细分驱动。

如图3: T1 是一个高频开关管。T2 管的发射极接一个电流取样小电阻R。比较器一端接给定电压uc, 另一端接R 上的压降。控制脉冲ui 为低电平时, T1 和T2 均截止。当ui 为高电平时, T1 和T2 均导通, 电源向电机供电。由于绕组电感的作用, R 上电压逐渐升高, 当超过给定电压uc, 比较器输出低电平, 与

门因此输出低电平, T1 截止, 电源被切断, 绕组电感放电。当取样电阻上的电压小于给定电压时, 比较器又输出高电平, 与门输出高电平, T1 又导通, 电源又开始向绕组供电, 这样反复循环, 直到ui 又为低电平。因此: T2 每导通一次, T1 导通多次, 绕组的电流波形为锯齿形, 如图4 所示, 在T2 导通的时间里电源是脉冲式供电( 图4 中ua 波形) , 所以提高了电源效率, 而且还能有效抑制共振。

步进电机细分原理（雕刻机）

2010-03-12 13:05:51| 分类： 学生作品 | 标签： |举报 |字号大中小 订阅

雕刻机的X、Y、Z轴分别采用步进电机驱动，

在网上购买等了四天终于到了，57两相步进电机，1.5A，24V。

结构尺寸如下图

这里说说步进电机的细分原理： 细分的基本概念：步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小。如驱动器工作在10细分状态时，其步距角只为

“固定步距角”的十分之一，也就是：当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.8；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动0.18度。细分功能完全是由驱动器靠精度控制电机的相电流所产生的，于电机无关。

为两相步进电机的工作原理示意图，它有2个绕组A和B。当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到此磁极处。

若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向顺序按照：

这四个状态周而复始进行变化，电机可顺时针转动；控制脉冲每作用一次，通电方向就变化一次，使电机转动一步，即90度。4个脉冲，电机转动一圈。

细分驱动器的原理是通过改变A，B相电流的大小，以改变合成磁场的夹角，从而可将一个步距角细分为多步。当A、B相绕组同时通电时，转子将停在A、B相磁极中间，如图1（b），（d）所示。若通电方向顺序按照：

这8个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；电机每转动一步，为45度，8个脉冲电机转一周。与通电顺序（1）相比，它的步距角小了一半。

为了保证电机输出的力矩均匀，A、

B相线圈电流的大小也要调整，使A、B相产

生的合力在每个位置相同。图2所示为电机四细分时，A、B相线圈电流的比例。

A、B相线圈电流大小与转角关系如图3所示。

图2 4细分时电机A、B线圈电流在不同角度的分配比例

从图3中可以看出，步进电机的相电流是按正弦函数（如虚线所示）分布的；细分数越大，相电流越接近正弦曲线。

2. 步进电机细分与电机运动平稳性的关系

被测步进电机步距角为1.8度，即无细分时每转200步。试验时，将步进电机转速都设为2 r/s；电机2细分时，电机每转400步，每步周期为1.25ms；电机8细分时，电机每转1600步，每步周期为0.3125ms；电机64细分时，电机每转12800步，每步周期为0.0391ms。

步进电机2细分时，电流波形台阶均匀，且电流脉动值很大，其最大值是最大电流的70.7％；步进电机8细分时，电流波形台阶明显，但电流脉动值较小，其最大值是最大电流的19.5％；步进电机64细分时，电流波形较平滑，电流波形已很难分辨分别出台阶的个数，最大电流脉动值仅为最大电流的2.45％。

由电磁感应定理知，步进电机输出力矩和电机线圈的电流成正比，及：

T ＝ KT × i

式中KT为电机力矩常数，它与电机结构、材料、线圈长度等因素有关。

由此公式就很容易理解：步进电机细分数越高，电机运转越平稳；步进电机细分数越小，电机运转时振动越大。因为细分数高时，电流曲线光滑，所以电机输出力矩也就波动小连续、电机运行就平稳；电机细分数小，电机电流脉动就大，其输出力矩脉动就大，因而造成电机较大的振动，该振动并产生噪音乃至其它部件的谐振噪音。

3. 结论

步进电机细分驱动电路不但可以提高工作平台的运动平稳性，而且可以有效地提高工作平台的定位精度。试验表明：在同步带传动的运动平台上，步进电机4细分时，电机每步都可以准确定位。

建议在运动控制器输出的脉冲频率允许的情况下，尽可能将步进电机驱动器的细分数设大些，以提高运动平台的运动平稳性；但运动平台的定位精度只能按步进电机4细分的脉冲当量计算。