步进电机驱动与电流细分控制
蒋 淳 (上海小糸车灯有限公司, 上海 201821)
摘要 汽车步进电机的整步控制的特点是控制简单, 但是同样存在一个问题就是振动较大, 容易产生
共振。步进电机的细分驱动可以明显地提高电机运动的稳定性、降低噪声并且有效地规避电机运动的共振点。
Abstract Step m o tor is w i d ely used i n the vehic le . The w ho le step contro l is very si m ple . But t h ere w ill be resonance at a certai n frequency . Subd i v isi o n dri v ing o f step mo tor can i m prove the m ov ing stab ility o f the m o tor , reduce the no ise and avo id t h e resonance po int of the m o tor .
主题词 步进电机 汽车 共振
将相绕组电流全部通入或切除, 而是只改变相应
绕组额定电流的一部分。这样电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。利用电流控制技术可以有效地实现步进电动机的细分驱动, 从而提高步进电动机系统的分辨率和运行的平稳性, 进一步改善系统的牵出特性。
上述提出的步进电动机驱动线路, 都是按照环形分配器决定的分配方式, 控制电动机各相绕组的导通或截止, 从而使电动机产生步进旋转的合成磁势拖动转子步进旋转, 步距角的大小只有2种, 即整步工作或半步工作, 步距角已由电动机结构所确定。为了提高步进电动机的运行性能, 使步进电动机有更小的步距角, 更高的分辨率(即脉冲当量), 或者为减小电动机振动、噪声等, 可以在每次输人脉冲切换时, 不是将绕组电流全部通入或切除, 而是只改变相应绕组中额定的一部分, 则电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分, 转子的每步运行也只有步距角的一部分。这里, 绕组电流不是一个方波, 而是阶梯波, 额定电流是台阶式的投入或切除, 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, 这种将一个步距角细分成若干步的驱动方法, 称为细分驱动。
0 引言
步进电机以其控制精度高、走步准确、寿命长、抗干扰性能好等特点在汽车上得到了广泛的运用, 发动机、变速器、空调系统、照明系统等汽车核心部件和系统中, 执行器大量运用到了步进电机。本文论述的内容主要针对的是步进电机在汽车前照灯里的运用。步进电机的整步控制的特点是控制简单, 但是同样存在一个问题就是振动较大, 容易产生共振。
抑制共振频率的方法有:增加机械阻尼; 增加电子阻尼; 采用细分控制。
其中, 采用细分驱动是较好的解决方式, 可以有效地抑制共振。
1 细分驱动概述
步进电动机的细分控制, 其目的是在不改变原步进电动机内部参数和结构的情况下, 通过其控制电路把原步距角分为多个更小的步距角。在每次输入脉冲转换切换时, 不像单拍或双拍那样
收稿日期:2010-08-23
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要得到越来越平稳的速度与更加精确的定位, 对小步距和低振动的步进电机的需求就越来越迫切, 步距角的大小由转子齿数和运行拍数决定的, 由于受制造工艺的影响, 齿数不可能做的很多, 从驱动的角度减小步距角可以使得步进电机更加平稳的运行。
脉冲细分技术有效地地解决了这个问题, 其目的是在不改变电机内部参数和结构的情况下, 通过其控制电路, 把原步距角均分为多个更小的步距角。
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使用性能的驱动技术。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, 目前针对步进电机的细分驱动控制技术较成熟。
图2 四细分磁场矢量变化图
同理, 旋转磁场转过360∀, 电机转过一个齿距。由半步原理给予启发, 如果让旋转磁场矢量每次转过22. 5∀, 这样就实现了四细分驱动。其旋转磁场矢量变化如图3
所示。
2 细分电流控制原理
以两相步进电机的整步驱动方式为例, 介绍一下驱动过程。该电机有A 、B 两相绕组, 其中用C 表示A 通反向电流时的磁场 A, 用D 表示B 通
反向电流时的磁场 B 。
当分别给各相绕组通电时, 各相绕组产生的旋转磁场如下:仅有A 相导通时, 旋转磁场指向A; 仅有B 相导通时, 旋转磁场指向B ; 仅有C 相导通时, 旋转磁场指向C ; 仅有D 相导通时, 旋转磁场指向D 。依次为各相绕组通电, 每切换一次, 旋转磁场矢量转过90∀, 电机转过一个步距角。当旋转磁场矢量转过360∀时, 电机转过一个齿距, 这种工作方式称为整步工作。如果改变上述加电过程, 采用四相八拍工作, 即通电顺序依次如图1所
示。
图3 步进电机四细分驱动磁场矢量图
为了使电机输出转距大小一致, 控制流入A 、B 、C 、D 各相电流的大小。图4给出了4细分, 16细分、64细分驱动时各相电机输入电流值的变换曲线, 是正弦曲线。
根据步进电机的模型方程的公式, 两相电流的矢量和决定了步进电机的输出力矩的大小。所以近似正弦波的细分电流输出可以实现对电机恒扭矩控制。
细分数越大, 电流曲线越接近正弦, 力矩也越平稳, 速度波动也越小。步进电机的细分控制, 从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制, 使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场, 从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下, 合成磁场矢量的幅值决定了步进电机
图1 换向顺序图
此工作方式称半步工作, 旋转磁场的矢量变
化如图2所示。每改变一次通电状态, 旋转磁场的矢量转过45∀
。
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电机绕组中的电流使步进电机内部合成磁场的幅值恒定, 而且每个进给脉冲所引起的合磁场的角度变化也要均匀。
3 细分的特点总结
采用细分驱动的步进电动机具有如下特点:避免了电机工作时的共振点。步进电动机由其自身原因, 导致其电器机械特性在某个频率下, 会产生失步或跳步现象。采用细分电路后, 改善了电器特性, 消除了共振点, 解决了低频振荡问题。细分后, 驱动电流的变化幅度减小, 故转子达到平衡位置时的过剩能量也减少。另外, 控制信号的频率提高了N 倍(细分数), 可远离转子的低频谐振频率。
低频、低转速工作稳定, 转矩增大, 噪声降低。由于采用了细分电路, 在低速工作时电机的加速力矩明显减小, 因为工作力矩=(输出力矩#加速力矩), 输出力矩为步进电机静止时可产生的最大力矩, 它的值一般大于工作输出力矩。由于加速力矩的减小, 可以使输出工作力矩增加, 所以细分后电机变得有劲, 带负载能力提高, 尤其在启动和低速状态。由于加速度的减小, 步进电动机低速运行噪声也大大减小, 改善了工作环境。
在不改变电机内部参数的情况下, 减小步距角、减小步进误差, 即提高了分辨率和步距精度。
参考文献
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旋转力矩的大小, 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。因此, 要想实现对步进电机的值转矩均匀细分控制, 必须合理控制
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