两相混合式步进电机原理及控制方法介绍

1、步进电机驱动原理

二相混合式步进电机的结构



图1

一般定子上有 8 个磁极，彼此不紧贴的 4 个磁极为一绕组。

单数的 4 个磁极便构成步进电机的 A 相，双数的 4 个磁极便构成步进电机的 B 相。绕组以固定的模式进行环绕，让一相中的 2 个磁极，工作状态下拥有一样的吸引力或者排斥力。

两相混合步进电机绕组连接图



图2

正转通电顺序为：A+B+、A-B+、A-B-、A+B- ；

反转通电顺序为：A+B+、A+B-、A-B-、A-B+

线圈 1 和线圈 5 串联，线圈 3 和线圈 7 串联。

当开关 k1 和 k3 闭合时，定子上的磁极 3 与磁极 7 呈 S 极、磁极 1 与磁极 5 呈 N极。当开关 k2 和 k4 闭合时，各个线圈中电流反向，产生的感应磁场反向，即磁极 3 与磁极 7 呈 N 极、磁极 1 与磁极 5 呈 S 极。

二相混合式步进电机步中，步进电机的 S 极转子，与定子的 S 极磁极反映的磁力是呈现斥力的状态，而它与定子的 N 极，却是呈现吸力的状态；这些力的合力，推动了转子的转动。故而只要单次供电，转子便会完成一个旋转动作，同时转过 1／4 个齿距角。要求转子完整地旋转一个齿距角，只需进行 4 次以上操作，而且要换相通电。由于二相混合式步进电机具有仅有两个相的特性，那么为了完成上述的这一操作，就必须要将某一相进行正向供电后再进行一次反向供电，上述方式叫作双极性驱动。二相混合式步进电机必须在上述驱动方式下才能进行正常的工作。

主电路运行原理



图3

电路运行时，负载电感足够大时，电压基本超前电流相位９０°。对负载而言，定义电流由Ａ＋到Ａ－为正方向，电压由Ａ＋到Ａ－为正方向。这样在一个电周期内，电流与电压共存在４种情况，即电压为正电流为正、电压为负电流为正、电压为负电流为负、电压为正电流为负将这４种情况按文中顺序定义为第１~４类情况。



图4



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图9



图10



图11



图12



图13

2、控制方法

2.1 细分控制

一般情况下，步进电机运行时，每来一个脉冲，电机转动一个步距角（整步运行方式）或半个步距角（半步运行方式），但是电机的步距角是由电机本身的结构确定，所以，当没有细分驱动的条件之下，便必须通过变更控制脉冲的频率这一条件来实现速度的调整。

对比A+B+、A-B+、A-B-、A+B-，细分控制带来许多好处

2.1.1 降低步进电机的步距角大小，在电机的精度控制方面也得到了提升；

2.1.2 提高了电机的输出转矩；

2.1.3 很好地降低了步进电机的低频振荡这一特有现象。

2.1.4 或者说，细分控制就是根据正弦型的反电动势，来构建正弦型的旋转磁场，类似永磁同步电机那样控制。



图14



图15

两相混合电机半步驱动与二细分驱动时相电流与转矩矢量变化图

电压方程



图16

其中： ia， ib—步进电机A、B两相线圈的电流；ω、θ表示步进电机的角速度和角位移；Nr—转子齿数；Ｒ、L表示步进电机各相绕组的电阻和电感；Ua、Ub表示步进电机两相上的电压；Km反电动势系数；J转子的转动惯量；TL表示负载转矩；B表示步进电机摩擦系数。



图17

第一部分是电机运动控制其主要功能是通过上位机给定的运动曲线或运动位移进行运动规划或者控制之后产生相应的电流给定值，作为第二部分中电流信号的输入。第二部分为电流控制部分，其主要功能是将给定值和反馈的电流值比较控制然后电压输出。第三部通过PWM生成算法生成给驱动器的控制信号。

2.2 电流控制

给定两相相位相差90度的正弦电流，反馈电流和这个正弦给定信号作比较，经过控制器后输出PWM的占空比作为控制量，完成电流闭环控制。这种方法中，消耗的电流时恒定的，不以负载的变化而变化。通过控制正弦电流的角度，就可以控制电机转子的转角。由于控制器硬件性能的原因，所以采用32细分的方法。也就是一个步进周期分成32个微步，给定的正弦电流就是通过微步数得出来的。



图18

红：反馈实际电流值

蓝：给定电流正弦

由上图可知，控制电压在速度增高后很大消耗在了反电动势上面（相电流减小），所以引入前馈控制量，U=E+PID

下图中，加上了前馈，高速状态下明显改善



图19

位置规划算法



图20

为使步进电机在运行中不出现失步现象，一般要求最高运行频率小于步进响应频率fs，在该频率下，步进电机可以任意启动、停止或者反转而不发生失步现象。所以，位置规划的任务就是根据上位机发过来的指令，规划出运动轨迹，再通过位置反馈计算出位置和速度进行双闭环控制，并且限制其最大速度和加速度。微步数作为控制量发给电流控制器。