发布时间 : 星期日 文章高精度步进电机控制系统毕业设计更新完毕开始阅读19b88a5977232f60ddcca1dc
***大学毕业设计（论文）
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图3-6 单电压驱动 Figure 3-6 Single-voltage drive
功率的损耗，降低效率。为了解决这些问题，又产生了高低压驱动电路。
高低压驱动的设计思想是不论电动机的工作频率如何，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。高低压驱动的原理 线路如图3-7所示。
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图3-7高低压驱动电路原理图
Figure 3-7 Schematic of high voltage drive circuit
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高精度步进电机控制系统设计
U2VT2134L125Rc1-整形电路 2-脉冲分配器 3-控制门4-高压前置放大器 5-低压前置放大器
图3-8斩波驱动电路原理图 Figure 3-8 Chopper drive circuit schematic
VD2VD1U1RdVT1高低压驱动可保证在很宽的频段内绕组都有较大的平均电流，在截止时又能迅速释放，能够产生较大的且较稳定的电磁转矩。其优点是:功耗小，启动转矩大，高频性能较好。但是也存在着低频振荡加剧，波形呈凹形，驱动电源和大功率管数量加倍，成本上升的缺点。
3.4.4 斩波恒流驱动
恒流斩波驱动控制技术是目前步进电机控制的主流技术之一，斩波电路的出现是为了弥补高低压驱动电路波形呈凹形的缺陷，使电机的输出转矩的平均值基本恒定。同时电机的高频响应得以提高，共振现象减弱。其电路结构如图3-8所示。
斩波驱动中，虽然电路较复杂，但是由于驱动电压较高，电机绕组回路又没有串入电阻，整个系统功耗下降很多，所以电流上升快。当达到所需要的电流时，由于取样电阻的反馈作用，使绕组电流基本恒定，从而保证在很大的频率范围内电动机的输出转矩基本恒定。而输出转矩是步进电机的一个重要性能指标，当我们使电机的绕组电流恒定在一个较高的数值时，就可提升电机的输出转矩。因此，为克服步进电机在高频时牵出转矩下降的
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问题，很多文献提出了一些新的恒流斩波驱动设计。但是，恒流斩波技术不能解决步进电机本身所固有的低频振动问题，无法克服步进电机因受步距角限制而不能实现多种步距角控制的缺陷。只有与单拍和双拍运行时相对应的两种步距角。
3.4.5 调频调压驱动
无论是单电压驱动、高低压驱动和斩波恒流驱动，它们都是考虑注入电机绕组的电流要有较快的上升沿，以提高电机的高频工作能力，这样做的后果一般都会带来低频振动加剧。为了减小低频振动，应使电机低速时绕组电流上升前沿较平缓，这就要求驱动器对绕组提供的电压与电机运行的频率建立直接联系。调频调压驱动方式可以较好地满足这一要求，其基本思想是:随着步进电机运行频率的提高，同时提高功率放大电路的电源电压，以补偿因运行频率上升造成的输出转矩下降:当步进电机的运行频率降低时，同时降低功率放大电路电源电压。因电压随频率而变，故既可增加高频输出转矩，又能避免低频可能出现的振荡。从理论上讲，调频调压驱动基本克服了单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动等电路的不足，矩频特性较好，能够在较宽的频率范围内运行。
3.5 混合式步进电机的细分驱动
3.5.1 细分驱动原理
步进电机细分驱动技术是70年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合性能的驱动控制技术。1975年美国学者T.R.Fredriksen首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制方法。在其后的三十多年里，步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中得到广泛的应用。实践证明，步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高电机运行的平稳性，增加控制的灵活性等。应用细分驱动技术的步进电机，通过选择不同的细分就可使步进电机具有常用的两相、五相和反应式电机的步距角，从而简化了生产品种，节省了用户投资。
细分驱动的基本思想是：各相绕组的通电状态改变时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组电流的一部分，则电机的合成磁场的改变也只有原来的一部分，因为转子的平衡位置与电机中的合成磁场的方向保持同步，所以转子的每步运行也只有原先步距角的一部分。这样，绕组电流由常规的矩形波改为阶梯波，绕组中的电流经过N个台阶上升到额定值，或以同样的方式从额定值下降。电流分成多少个台阶，则转子就以同样的次数转过一个步距角，这种将原先的一个步距角细分成若干步的驱动方法，称为细分驱动。
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高精度步进电机控制系统设计
3.5.2 细分驱动的特点
细分驱动不仅减小了步进电机的步距角，还带来了电机性能的全面提高：
1 ) 步进电机低速运行时的振动和噪音原因在于转子到达新的平衡位置时能量过剩。经过细分后，驱动电流的变化幅度大大减少，故转子到达平衡位置时的过剩能量也大为减少。假如电机的相电流为3A，如果使用常规驱动器(如常用的斩波恒流方式)驱动电机，电机每运行一步，其绕组内的电流将从0突变为3A或由3A突变到0，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和噪音。如果使用细分驱动器，在10细分状态下驱动该电机，电机每走一步，其绕组内的电流变化只有0.3A而不是3A，这样就大大的减弱了电机的振动和噪音。
2 ) 另一方面，步进信号的脉冲频率提高了N倍(N细分时)，故电机运行时可尽量远离电机的自然振荡频率(80～200Hz)，这样就减小了低频共振的发生几率。
3 ) 从第一章对步进电机的运行特性分析可以知道，步进电机运行拍数越多，步距角越小，进入动态稳定区越容易，起动频率就越高，电机的输出转矩也越大。
因此，运用细分驱动技术不仅可以减小步进电机的步距角，提高分辨率，更重要的是能使电机运行更加平稳均匀，而且还能减少低频振动与共振。总体来说，相对于其它的驱动方式，细分驱动的控制效果最好，这是步进电机驱动技术的重大进展之一。
3.5.3 恒转矩等步距角细分
步进电机的细分控制从本质上讲是通过对步进电机的定子绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场按某种要求变化，从而实现步进电机步距角的细分。最佳的细分方式是恒转矩等步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了电机转矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小，转子平衡位置与合成磁场矢量方向保持一致。合成磁场矢量与绕组电流的合成矢量在理想情况下是线性关系，要实现恒转矩等步距角细分，必须合理的控制电机绕组中的电流，使各相绕组电流的合成矢量在空间作幅值恒定的旋转运动，从而在步进电机内部建立均匀的圆形旋转磁场，这就需要在各相绕组中通以正弦电流。三相混合式步进电机的三相绕组在空间位置上相差2?/3，给三相绕组分别通相位相差2?/3而幅值相同的正弦波电流，则合成的电流矢量在空间做幅值恒定的旋转运动。
三相混合式步进电机的工作原理十分类似于交流永磁同步电机。转子上所用永磁铁同样是具有高磁密特性的稀土永磁材料，所以在转子上产生的感应电流对转子磁场的影响可
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