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东方马达步进电机细分控制原理及仿真分析

2017-02-21

轮流对AB相通电,电机转子定向转动。

A相磁通链:
ΦA= ΦMAX×cos(Ntθm)  

ΦMAX为磁通链最大值;为转子变位角。

转矩为磁通链对于角度的导数和电流值的乘积。

单相转矩:
TA = -KT×i×sin(Ntθm)
   = -KT×i×sinθe
    对AB相电流分别为i×cosα, i×sinα
    因为各齿相邻,最终计算得合转矩为:
KT×i×cos(α-θe)。

对α-θe趋于0,合力矩为i×KT。近似恒定值。

步进电机脉冲控制原理

传统的步进电机脉冲控制是用一对相位差90度的方波来驱动步进电机的A、B相线圈电流,以达到定向转动的目的。

以A相线圈通电超前B相90度时,方向为正。当线圈B相超前A相90度通电时,电机反方向转。控制两相线圈导通脉冲的相位就能控制步进电机的转向。每1/4周期电机行进一个步进角0.9度。通过控制脉冲的频率就可以控制电机的转速。

细分控制方法是通过精确控制步进电机的A、B相电流,分别按照正余弦曲线变化。这样产生的合力矩大小恒定,径向分力极小。将1个步进角(即0.9度)分成128个微步,通过控制两相电流,可以停到其中任一个微步的位置上。图2为正向时A、B相线圈的电流波形示意图。

  以X点为例,A、B相分别通以电流Ixa、Ixb时,两相线圈合力使转子可以稳定停在X点上。由于电机不是跳跃转动,相对传统控制方案,只需要较小的转矩就可以实现不丢步启动。因为要精确控制两相线圈的电流,而且电流需要换向,即存在正负两种电流,所以硬件电路设计和控制算法都比较复杂。

步进电机仿真模型

1)电机:使用6.8mH,内阻为2.7欧。R+L简化模型。
2)驱动波形:以转台最高转速450度/秒为参照,考虑0.9度步进电机和1:4的机械变比,可以使用50V/500Hz交流电源,经全桥整流再分压得到一对近似的正余弦(半波)。并且产生同步的相位信号。
3)电机驱动芯片:按A3988的模块框图及行为描述进行简要的电路模型建立。为减小仿真运算量,并简化电路,全部使用快衰减方式。电流关断时间通过RC设置为与A3988一致的30us。
4)反馈回路:反馈电阻取1欧。为简化电路,省略反馈1/3分压。