步进电机细分步进驱动
|
细分步进驱动有时也被称为微动驱动，最近已统一为细分步进驱动。细分步进驱动是将全步进驱动时的步距角各相的电流以阶梯状n步逐渐增加，使吸引转子的力慢慢改变，每次转子在该力的平衡点静止，全步距角作n个细分，可使转子运行效果光滑，因此，在低速运转时，此法可认为是降低振动的有效手段之一。 下图表示两相式步进电机的4细分微步进的各相电流波形的概念图。各相电流值的峰值相等，相位偏差90°。此电流的大小并非必须均等增加，通常其平均曲线会变成正弦波。
改变此电流值的手段与前文所示电路图的恒电流斩波器部分相同，预先控制输出电路，确定电流波形。上图所示为供给2相式步进电机细分电流，下图为转子细分步进的情况。
上图中，1为前文第一张图的A相电流峰值时的状态；2为A相电流由1段的峰值电流减少变成3/4阶段的电流，同时B相的电流从零开始增加到1/4的峰值电流的过程；3为A相电流由峰值电流下降到1/2峰值， B相的电流上升到峰值的1/2，两电流相等的状态；4为A相电流由继续 下降成1/4峰值，B相电流上升到3/4峰值的状态；5为A相电流由峰值时电流减少变成零，B相的电流增加变成峰值时状态。定子的各相激磁电流大小与相对应转子步进情况如本文第一图所示。 此时，简化图，A相B相的节距θ0作步距角，转子每次电流各变化一次，每步进θ0/4，即已知步距角的四分之一。一般使用这种细分方法，可以使电流波形能够接近正弦波。此处增加细分步级的细分量，电流能近似正弦波，旋转转矩也能得到正弦波变化。 2相步进电机的交链磁通与电流模型如下图所示。
电流以角速度ω表示，A相比B相超前（π/2），电流公式如下所示： iA=Icosωt iB=Isinωt 激磁磁通在A相与B相交链部分，考虑相位相差π/2，根据上图变成下式： ΦA=Φcosθ ΦB=Φsinθ 设A相转矩为TA，B相转矩为TB，2相微步进驱动时的合成转矩为T2，考虑最简单模型，令式（T1=NNrI(dΦ/dθ)）中的N=1，Nr=l，则转矩公式如下所示：
转子与定子的转动磁场同步，以负载角δ（如前文《PM型电机转矩的产生及负载角》及文《HB型电机的转矩与负载关系》的图中δ）转动，下式成立： θ=ωt-δ 将上式3代入式1、式2，及θ=ωt-δ得下式：
即T2为含ω的项消去，δ取一定值，能得到近似正弦波的转矩。上式（T2=IΦsinδ）表示前文《PM型电机转矩的产生及负载角》及文《HB型电机的转矩与负载关系》的图中转矩，如增加负载，δ也增加，至π/2时为其最大值。 以上细分步进驱动方式是降低振动极为有效的手段。此时，永久磁铁所产生的磁通分布假定为正弦波。HB型步进电机的转子在dq轴方向分离成两个磁通，并且磁极上有很多的齿，容易产生高次谐波，因此，除式T2=IΦsinδ所示的值外，还含有其他频率成分的磁场。 如上所述的细分步进驱动，降低振动的要点如下： 第一、细分步进越是在低速运行时效果越好。2相步距角0.9°（定子主极数16）的步进电机转速约150rpm以上，其减少振动量的效果就不明显。如输入脉冲频率太快，对细分步进波形来说，由于不能得到希望的电流波形，会使电机跟踪精度变差。 第二、细分步进的细分数与降低振动效果:理论上细分数越多，降低振动的效果越明显，但实际到8细分时效果变化并不大。例如8细分与16细分以上不会有效果的差别（即没有什么效果变化）。下图表示两相HB型16主极的0.9°步进电机细分数与速度波动的图像；
下图表示改变细分数与转子速度变化情况，电机同样为两相HB型16主极的0.9° 步进电机。两者皆为2相激磁，1-2相激磁，4细分时没有看到大的差别。由上图可以看出，转数在150rpm以上时，步距角为0.9°的电机虽然激磁方式发生变化，但速度变化差别不大。
下图表示三相HB型步距角3.75°时的全步距角，2细分、4细分、8细分时的电流波形和电机转动角的波形。可以看出，电流波形8细分时接近正弦波。细分步进的细分数是决定驱动电路的复杂程度和成本的原因之一，应该根据使用目的和转速来合理选用不同的驱动电路。
第三、细分的角度虽然能定位，但其精度不高，因此定位控制时，用细分的2相或1相导通方式来定位。 第四、相同情况下，细分步进时的各步（step）暂态特性因包含1相激磁或2相激磁等工作状态，故过渡过程并不一样。此种情况如下图所示。
|
