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本文分析了步进电机三种驱动方式的优缺点
2024-10-23 00:27:27 责编:小OO
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众所周知,步进电机的驱动方式包括整步、半步和细分驱动。三者既有区别又有联系。目前市场上很多驱动都支持细分驱动模式。
众所周知,步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机,在数字控制系统中常被用作执行元件。当步进驱动器接收到脉冲信号时,它驱动步进电机在设定的方向上旋转一个固定的角度(这个角度称为距离角)。
正常运动下,每转有固定步数;连续步进时,转速与输入脉冲频率保持严格对应,不受电压波动和负载变化的影响。本文将带领您详细了解步进电机全步驱动、半步驱动和细分驱动的工作原理和优缺点。
  步进电机的驱动方式
下图是两相步进电机内部定子的示意图。为了使电机的转子连续平稳地旋转,定子必须产生连续平均的磁场。宏观上,电机转子始终跟随电机定子合成的磁场方向。如果定子合成的磁场变化太快,转子跟不上,步进电机就会失步。
由于电机转子跟随电机定子磁场旋转,电机定子磁场的强度和方向由定子复合电流决定,并与其成比例。即只要控制电机的定子电流,就可以达到驱动电机的目的。下图是两相步进电机电流合成示意图。Ia由A-A'相产生,Ib由B-B'相产生。它们两个组合产生的电流I就是电机定子的组合电流,可以代表电机定子产生磁场的大小和方向。
基于以上对步进电机的背景描述,步进电机的三种驱动方式,即整步、半步和细分,都是相同的方法,但一个圆(360)除以电流的厚度是不同的。
  1、整步驱动
对于全步驱动模式,电机走一整步。比如步进角为3.6的步进电机,整步驱动每走一步就要走3.6。
下图是电机定子在全步驱动模式下的电流顺序示意图:
从上图可以看出,整步驱动每次只有一相通电,因此这种驱动方式的驱动电路可以非常简单,程序代码也相对容易实现,从上图可以得到电机整步驱动的相序如下:
BB'A'AB'BAA'BB'
下图是该驱动模式的当前矢量分割图:
可以看出,全步驱动模式的电流矢量将一个圆等分为四个。
下图是全步驱动模式下a相和b相的电流I-T图:
总结:
可以看出,全步进驱动的缺点是正弦波比较粗糙。这样驱动步进电机,电机低速抖动,噪音比较大。但是这种驱动方式的优点是硬件和软件相对简单,可以很容易的控制驱动器的制造成本。
  2、半步驱动
对于半步驱动模式,电机走半步。例如,对于步进角度为3.6的步进电机,半步驱动每走一步需要1.8(3.6/2)。
下图是电机定子在半步驱动模式下的电流顺序示意图:
动方式的优缺点" src="http://file.elecfans.com/web1/M00/4F/A1/pIYBAFrf-YmAIq7nAAA8LeSvYTs481.jpg" style="width: 500px; height: 234px;" />
由上图可见,半步驱动方式的比整步驱动方式相对复杂一些,在同一时刻,可能两个相都需要被通电,如果要求电机转动的力矩平稳,则需要在两相同时通电时,通电电流应该为单相通电电流的sin(45),即2/2。当然,可以直接通以和单相通电流相等的电流,结果是电机转动过程中的力矩不恒定,但它带来的好处是驱动电路或软件编写的简化。
以下是这种的驱动方式的驱动相序:
BBBB AAAABB AA BBBB AAAA AA BB
如果需要反转,只需按以上相序的逆向进行通电即可。
当按以上相序对电机通电,产生的电流矢量则可以把一个圆分割成8份,如下图所示:
半步驱动一方面使电机的步进分辨率提高了一倍,且电机运转会更为平稳。
对比地,半步驱动方式的两相电流图如下图所示:
总结:
由上图看出,半步驱动方式的优点:描出的正弦波较之整步驱动方式,有了改观,提高了精度。这样的好处是在无需更改电机的情况下,电机的步进角分辨率提高了一倍,且电机运行相对安静一些。
  3、细分驱动
如下图,可以看出某种规律:
看上图,电流矢量分割圆越来越稠密,如上图的c。这是4细分驱动的分割图,从宏观上可想象,电机转子走一步的角度将会随着细分数的增加而减小,电机转动也越来越平稳、安静。从某种意义上,整步和半步驱动也是细分驱动的一样,它们的关系就如正方形和长方形的关系。
上图是4细分驱动方式的两相电流图,由图看出,这时每相电流的曲线较半步驱动时的电流曲线更加细腻。
电流细分是细分驱动的其中一种方法,恒流的实现常用斩波驱动,给定的电流是以正弦波分布。另一种为电压细分,这种方法是比正弦波的电压驱动电机的线圈,可以不需要反馈地实现电机的细分驱动,但是由于电机的反电势等的作用,正弦波电压驱动并不能产生正弦波的电流,效果没有电流细分好,但是它的驱动电路相对简单。
总结:
细分可以提高电机的步进角分辨率,但是,这并不是细分驱动的初衷,而是为了减缓步进电机运转过程的震动和噪声,使电机的力矩输出更平稳。这有点像数码相机的光学变焦和数字变焦的关系,提高步进系统分辨率好依靠电机本身和机械结构。
在工程应用中,电机的细分数可能不同,在低速时,可增大细分数,当速度增加时,减少细分数。

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