步进电机细分控制原理及仿真分析

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1、步进电机控制－－张进东双相四线步进电机0.9度步进电机，定子8槽，转子为永磁体。两端N、S极各100齿错开。步进电机简要理论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。ANBASB－－SNNNNSSSS定子转子ANBASB－－SNNNNSSSS定子转子ANBASB－

2、－SNNNNSSS定子转子NANBASB－－SNNNNSSS定子转子NS轮流对AB相通电，电机转子定向转动。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。步进电机细分控制原理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

3、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。步进电机控制原理A3988电机驱动芯片内部框图1）PHASE1/2/3/4分别控制1/2/3/4线圈电流的方向。2）VREF1/2/3/4分别控制1/2/3

4、/4线圈电流的大小。3）VREF1/2为一对，分别用正余弦（半波）驱动。PHASE1/2在相应VREF1/2波形的过0点切换。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

5、）反馈回路：反馈电阻取1欧。为简化电路，省略反馈1/3分压。步进电机仿真波形上边蓝色为参考电平；黄色为反馈电压；紫色和绿色为电感等效串阻两端电压；红色正弦曲线是串阻两端电压差，反应出电机内实际电流。电机速度较低时，线圈电流上升速度和下降速度都能跟上参考电平变化。电机运行平稳。但需要注意当参考电平接近0时，有一小段范围电机里的电流为0，会导致极低速高细分时电机的短暂停顿，感觉不连贯。可以增大反馈电平（对应增加电流或反馈电阻，但受效率及其它问题约束）；也可以进行正余弦校正，可以起到更好的效果。步进电机仿真分析电机速度较高时，线圈电流上升速度明显滞后于参考电平信号，导致电流

6、变形。电流上升期间回馈电压一直小于参考电压，所以对应的一对MOS管一直导通。减小线圈电阻值或加大电压会有改善。电流下降期间需预防参考电压降到0点时电流无法降到0的情况。否则会导致电流未减到0而开始换向，会产生较大噪声。可以使用快衰减或适当增大线圈电阻。也可对波形进行校正。步进电机仿真模型步进电机仿真分析低速情况下，电机电流变化率要求较低，电流变化能及时随参考电平信号变化，即电流是标准的正余弦形式。这样转矩大小基本恒定，电机运行平稳，噪音低。通过李沙育波形可以间接反应出正余弦和转矩情况。图形较圆，表示电机转矩大小恒定。步进电机仿真分析高速情况下，电机电流变化率要求较高，

7、电流变化不能及时随参考电平信号变化，即电流是失真的正余弦形式。这样转矩大小发生规律变化，电机运行出现抖动现象，噪音增大。通过李沙育波形可以看出正余弦和转矩情况，该情况下会出现较大周期性噪声并影响结构寿命。应尽可能避免这种情况发生在机械结构的共振点。电机控制看似简单，但涉及到极广泛的学科理论。电、磁、场、材料、结构、力学、数学、甚至半导体特性……想深入的进行理解并达到很好的应用效果需要大量的知识积累和大量的实验分析。让电机转起来很容易，但让电机转好却是很有难度的。而且往往随着应用场合的不同，关注点和控制方式也有很大差异。通过自建模型结合仿真可以对电机控