二相混合式直线步进电机的三维场分析
二相混合式步进电机

两相混合式步进电机的工作过程
当两相控制绕组按AA BB或BB AA的次序轮流通电,侮拍只有一相绕组通电,四拍构成一个循环。当控制绕组 有电流通过时,便产生磁动势,它与永久磁钢产生的磁动势相互作用,产生电磁转知,使转子产生步进运动。
当A相绕组通电时,在转子N极端磁极1上的绕组产生的S磁极吸引转子N极,使得磁极1下是齿对齿,磁力线由 转子N极指向磁极1的齿面,磁极5下也是齿对齿,磁极3和7是齿对槽。由于两段转子铁芯上的小齿相互错开半个 齿距,在转子S极端,磁极1'和5’产生的S极磁场,排斥转子S极,与转子正好是齿对槽,磁极3’和7’齿面产生 N极磁场,吸引转子S极,使得齿对齿。
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混合式步进电机系统的性能很大程度取决于控制器的优劣,从前述可以看到步进电机主要有开环、闭环、矢 量和智能控制等控制方式。开环控制使用方便,系统构成简单且成本低,在精度要求不太高的场合有着广泛的应 用,至今也没有合适的替代产品。但如前所说,这种方式存在一个振荡的区域,尤其是低速运行时接近电机的共 振区,此时振动和噪声都比较大。但是对开环控制的改进也是不断地在进行中,自1975年美国学者erickson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后[ysl,随着微电子和电力电子技 术的发展,当前世界上混合式步进电机新技术正处在高速的发展之中,智能控制的V}想进入了步进电机的驱动控 制领域,还出现了具有实时可变的细分一功能驱动控制电路。通过这些年的发展,步进电机控制方式逐渐形成了 升频升压控制,恒流斩波控制,细分控制,矢量控制,位置、速度反馈控制等控制方式,但是新型控制方式的运 用还不成熟,也没有出现相关产品,而国内虽然研究上取得很大进步但不管是控制器还是控制软件上看,和国外 还有一定的差距。
基于DSP的二相混合式步进电机多细分驱动器的研究

基 于 D P的 二 相 混合 式 进 电j 多 细 分 驱 动 器 的研 夯 S I i 兀
浙 江 交通 职业技 术 学院 王亚嫔
[ 摘 要 】 文介绍 了一种基 于 T 3 0 F 4 7 DS 本 MS2 L 2 0 A P芯片的步进 电机 多细分驱动控制 器的设 计方案 , 出了系统的硬 件构成和软 给 件设计方法。 实验证 明: 该方案能最3  ̄度地 利用步进 电机驱动芯片的开关频率 , vF - 自动计算 出步进 电机在不 同转速下的细分微 步数 , 通过步进电机 细分控制 , 改善 电机 系统的运行特性和定位精度。 [ 关键词 ] MS 2 L 2 0 A P 多细分驱动控制 器 步进 电机 T 3 0 F 4 7 DS
图 2 功 率驱 动 电路 22 .控制部分 电路的设计 221电源 电路与电平转换 电路 .. 由于系统 中同时存在数字 电路 和模拟 电路 ,为保证 D PAD转换 S / 模块的精度并提高系统抗十扰能力 ,在线路设计 时采用 了数字地 与模 拟地分开的方式 。 3 图 所示为电源电路 。 中芯片 T S 3 3 T 公 其 P 7 3Q D为 I 司专门为 D P驱动设计 的数字 电源 ,芯片 I 1 1C T 33是 F i hl S J 17 S 一 . T a ci r d smi n ut 公司生产的可调低损耗线性 电源 , e c d co o r 它输 出 33 此处用作 .V, D P的模 拟 电源 。 S
O 引 言 .
针对 目前步进 电机 市场需求 量的增 大,以及对其 驱动器性能要求 E益提高 , l 现有步进 电机驱动器 已不能满足生产 和应用需要 的现状 , 步 进 电机细分驱动技术的出现,为我们设计功能强大 的步进 电机驱动器 提供 了新的可能。 步进 电机在低频工作时 , 会有振动大 、 噪声大的缺点 。 如果使用细分方式 ,就能很好 的解决这个 问题 。本文介绍 了一种基 于 T 30 F 4 7 D P芯片 的步进 电机 多细分驱动 控制器 的设 计方案 , MS2 L 2 0 A S 该方案能最大限度地利用 步进 电机驱动 芯片 的开关频率 , 自动计算 出 步进 电机在不同转 速下 的细分徽步数 , 通过步进 电机细分控制 , 改善 电 机系统的运行特性 和定位精度。 1T 3 O F 4 7 芯 片简 介 .MS 2 L 2 0 A T 3 0 F4 7 — — 电 机 控 制 用 D P芯 片 采 用 哈 佛 结 构 、 总 线 Ms 2 L 2 0 A S 多 和 四级流水线技术 , 得运算速度大为提高 。T 3 0 F 4 7 S 使 MS 2 L 2 0 A D P有 以下一些特点 : () 1采用高性能静 态 C MOS技术 , 使得供 电电压 降为 33 减小 了 .V, 控制器的功耗 ;0 P 4 MIS的执行速度使得指令周期缩短 到 2 n ,从而提 5s 高了控制器的实时控制能 力。 () 2 片内具有高达 3 K字的 F A H程序存储器 ,.K字的数据 / 2 LS 1 5 程 序 R M,4 A 5 4字的双 口RA D A 和 2 M(AR M) K字 的单 口RA s A 。 M( AR M) () 3 两个事件管 理器 E A和 E B, V V 每个包 括 : 两个 1 通用定 时 6位 器, 8个 1 位 的脉宽(wM) 6 P 通道 , 个捕获单元 , 内光电编码 器接 口电 3 片 路 ,6通道 A D转换器。 l / () 4 可扩展的外部存储器总共 12 9 K字 :4 6 K字程序存储器 ;4 6 K字 数据存储器 ;4 6 K字的 I / O寻址空 间。 2系统 硬 件 设 计 . 本系统采用 T 3 0 F 4 7 S MS 2 L 20 A D P微处理器作为核心控制器件 , 采 用专 门为 两相 / 四相 步进 电机设 计的 L 9 双全 桥驱动 芯片作为功率 28 驱动器件 , 结合电流 、 转速反馈 电路等实现对两相混合式步进 电机 的控
两相混合式步进电机细分控制

两相混合式步进电机细分控制两相混合式步进电机细分控制是一种常用的步进电机控制技术,可以实现高精度和高速度的运动控制。
本文将介绍两相混合式步进电机的工作原理、细分控制技术以及在实际应用中的一些注意事项。
首先,我们来了解一下两相混合式步进电机的工作原理。
两相混合式步进电机由两个相位的线圈组成,每个相位有两个线圈。
当电流通过线圈时,会产生磁场,这个磁场会与电机中的永磁体相互作用,从而产生力矩,推动电机转动。
通过交替激励两个相位的线圈,可以控制电机的转动方向和步长。
在细分控制中,我们需要将一个完整的步进角度细分为更小的角度,以提高步进电机的精度和平滑性。
常见的细分控制技术有全步进、半步进和微步进。
全步进是最基本的细分控制技术,将一个完整的步进角度等分为若干个小角度。
例如,将一个360度的步进角度等分为200个小角度,每个小角度为1.8度。
全步进可以实现较高的转动精度,但在低速运动时容易产生共振和震动。
半步进是在全步进的基础上进行细分的一种技术。
它将一个完整的步进角度等分为更小的角度,并在每个小角度中交替激励两个相位的线圈。
例如,将一个360度的步进角度等分为400个小角度,每个小角度为0.9度。
半步进可以提高步进电机的转动平滑性和精度,但在高速运动时容易失步。
微步进是最高级别的细分控制技术,可以将一个完整的步进角度细分为更小的角度,并通过改变线圈电流的大小和方向来控制电机的转动。
微步进可以实现非常高的转动精度和平滑性,但同时也增加了系统复杂性和成本。
在实际应用中,我们需要根据具体需求选择合适的细分控制技术。
如果对转动精度要求较高,可以选择全步进或半步进;如果对转动平滑性要求较高,可以选择半步进或微步进。
同时,还需要注意以下几点:1. 选择合适的驱动器和控制器:不同的细分控制技术需要相应的驱动器和控制器来实现。
因此,在选择步进电机系统时,需要考虑其兼容性和可靠性。
2. 控制参数调整:在使用细分控制技术时,需要根据具体情况调整控制参数,如脉冲频率、加速度和减速度等。
步进电机 2相 工作原理

步进电机 2相工作原理
步进电机是一种将输入脉冲转换为角度或位置运动的电机。
它由定子、转子和驱动电路组成。
步进电机根据定子和转子之间的磁场变化来实现运动。
步进电机中常见的类型是2相步进电机。
它有两个相,每一相有一个线圈。
当电流通过其中一个线圈时,它会产生一个磁场,使得转子在特定的角度定位。
当电流通过另一个线圈时,另一组磁场将生成,将转子进一步旋转到下一个位置。
驱动电路为步进电机提供脉冲信号,每个脉冲信号对应转子旋转一定的角度(步进角)。
这些脉冲信号由外部控制器生成,并通过驱动电路转化为适当的电流供给给步进电机的线圈。
步进电机的驱动电路根据输入的脉冲信号来控制电流的频率和方向。
在每个脉冲信号的上升沿或下降沿,驱动电路会反转线圈的电流方向,使得磁场的极性也反转。
这就使得转子能够在不同的位置停留,从而实现旋转和定位。
步进电机的步进角度取决于电机的构造和驱动电路的设计。
通常,步进电机的步进角度可以为1.8度、0.9度甚至更小。
步
进角度越小,电机的运动精度越高。
但是,步进角度越小,所需的脉冲信号也会增加,因此需要更高的控制精度。
总的来说,2相步进电机通过输入脉冲信号来控制线圈的电流
和磁场,从而实现精确的角度或位置运动。
这种电机广泛应用
于打印机、机械设备、数码相机等需要准确控制角度和位置的场合。
两相混合步进电机

两相混合步进电机步进电机是一种电动机,它的特点是能够按照电脉冲信号进行定量控制旋转角度或者转速。
步进电机具有运动平稳、精度高、噪音低等优点,在电子设备领域被广泛应用。
在步进电机中,两相混合步进电机是一种常见的类型。
两相混合步进电机由于其结构简单、制造成本低等特点被广泛使用,尤其在微型化电子设备中得到了广泛应用。
它由步进电机驱动器、步进电机控制器和两相混合步进电机本体等组成。
本文将详细介绍两相混合步进电机的结构、原理、控制方法和应用等。
一、结构两相混合步进电机主要由定子、转子和绕组三个部分组成。
1. 定子两相混合步进电机的定子是由两个磁极和两个齿构成,其中每个齿上都有一个线圈。
定子上线圈的两端经过连接电源后会形成一个有规律的磁场。
当极对应的两个线圈分别接通时,就会形成两个北极和两个南极的交替磁场,从而形成有规律的磁场变化。
2. 转子两相混合步进电机的转子是由两个部分组成:一个是磁极,另一个是齿。
磁极分为南、北两极,随着定子上线圈发生变化而转动。
而齿则是由数个齿齿缝组成。
3. 绕组两相混合步进电机的绕组是由两个线圈组成,每个线圈绕制在定子两个相邻齿上,线圈之间隔一个齿缝。
两个线圈相位差90度左右,当电源连接时,两个线圈将会产生90度的相位差异,从而驱动转子转动。
二、工作原理两相混合步进电机的工作原理是将电信号转换成机械运动。
当控制器向步进电机驱动器发送电脉冲信号后,驱动器的电路就会根据电脉冲信号控制电源的开关,使得电机绕组产生磁场的变化。
这时磁场将会影响到转子的位置,使得转子的角度发生改变。
如此重复,电机就会按照电脉冲信号控制的角度或转速旋转。
三、控制方法1. 开环控制开环控制是指不考虑电机实际位置的控制方法,仅通过发送电脉冲信号的方式控制电机的角度或转速,缺点是容易因为负载或摩擦力而出现角度偏差。
闭环控制是指通过检测电机实际位置来进行控制。
通常采用编码器等设备来检测电机的转动位置及速度信息,将检测结果反馈给控制器进行调整控制。
两相混合式步进电机及其驱动技术

▪ 一般称单四拍和双四拍工作方式为整步距方式; 单、双八拍工作方式为半步距方式。
▪ 步进电机中定子磁场和转子磁场旳相互作用产生 转矩:
▪ 定子磁势IW(安匝),I为相电流,W为绕组匝 数。
▪ 转子磁势是由转子磁钢产生旳,它是一种常数。 ▪ 所以当定子线圈匝数、转子磁钢磁性能及定、
ia
AB
BA AB BA
t
ib
t 图6-8
▪ 整步运营时,绕组电流每90°电角度转过一种整步距。
▪ 四细分时电流电角度为 90/4=22.5 °。 以22.5°旳角
度递增从0°到360°共有16个电角度;所相应旳cos和
sin值求出并整量化后作成数据表放在存储器中。
31
32
D/A转换器
T1
T2
D1 D2
A0
u D0
B
A1
u D1
A
A2 A3
u D2
B
u D3
A
A4
A4接地时,可选通00H~0FH之 间旳十六个地址。该 地址空间存
储了循环旳单、双八拍运动方式 旳数据表 A4接5V时,可选通10H~1FH 之间旳十六个地址。该地址空间 存储了循环旳双四拍运营方式2旳3 数据表。
3)功率放大—单电压驱动方式
T1
Us
T2
D1
D2
电流放大
ia A BAB
t
uA
T3
A
A
T4
uA
ib
D3
D4
t
Vi -
Vg
+
单稳
图6-6
a
b
c
i
d
步进电机参数

DM542型细分型两相混合式步进电机驱动器,采用直流18~50V供电,适合驱动电压18V~50V,电流小于4.0A外径42~86毫米的两相混合式步进电机。
此驱动器采用交流伺服驱动器的电流环进行细分控制,电机的转矩波动很小,低速运行很平稳,几乎没有振动和噪音。
高速时力矩也大大高于其它二相驱动器,定位精度高。
广泛适用于雕刻机、数控机床、包装机械等分辩率要求较高的设备上。
主要特点1 平均电流控制,两相正弦电流驱动输出2 直流18~50V供电3 光电隔离信号输入/输出4 有过压、欠压、过流、相间短路保护功能5 十五档细分和自动半流功能6 八档输出相电流设置7 具有脱机命令输人端子8 电机的扭矩与它的转速有关,而与电机每转的步数无关9 高启动转速10.高速力矩大一、电气参数输入电压直流18~50V输入输入电流小于4安培输出电流 1.0A~4.2A功耗功耗:80W;内部保险:6A温度工作温度-10~45℃;存放温度-40℃~70℃湿度不能结露,不能有水珠气体禁止有可燃气体和导电灰尘重量200克二、控制信号接口图1是驱动器的接线原理图1、控制信号定义PLS/CW+:步进脉冲信号输入正端或正向步进脉冲信号输入正端PLS/CW-:步进脉冲信号输入负端或正向步进脉冲信号输入负端DIR/CCW+:步进方向信号输入正端或反向步进脉冲信号输入正端DIR/CCW-:步进方向信号输入负端或反向步进脉冲信号输入负端ENA+:脱机使能复位信号输入正端ENA-:脱机使能复位信号输入负端脱机使能信号有效时复位驱动器故障,禁止任何有效的脉冲,驱动器的输出功率元件被关闭,电机无保持扭矩。
2、控制信号连接上位机的控制信号可以高电平有效,也可以低电平有效。
当高有效时,把所有控制信号的负端连在一起作为信号地,低有效时,把所有控制信号的正端连在一起作为信号公共端。
现在以集电极开路和PNP输出为例,接口电路示意图如下:图1.输入接口电路(共阳极接法)控制器集电极开路输出图2.输入接口电路(共阴极接法)控制器PNP输出注意:VCC值为5V时,R短接;VCC值为12V时,R为1K,大于1/8W电阻;VCC值为24V时,R为2K,大于1/8W电阻;R必须接在控制器信号端。
混合式三相步进电机和二相步进电机的性能比较

随着电子信息技术的发展进步,步进电机设备被广泛的应用于社会生活的各个领域,步进电机分三种:永磁式(PM) 、反应式(VR)和混合式(HB)。
混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点,分为两相和五相,两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度,这种步进电机的应用最为广泛。
众所周知,不同类型的步进电机的性能是不一样的,那么混合式三相步进电机和二相步进电机的性能有什么不一样呢?下面维科特将为您详细讲解。
混合式步进电机就是步进电机的转子是由磁铁和纯铁芯片组成的,中间一个高磁能积磁铁,两边是纯铁芯片,两边的芯片分别被中间的磁铁磁化成N和S极。
步进电机由于工艺上的不同,通常分为三相反应式和三相混合式步进电机。
两种是可以互换的。
三相混合式步进电机在性能上比三相反应式要好。
三相步进电机和二相步进电机进行性能比较:⑴在获得小步距角方面,三相电机比二相电机要好。
⑵三相电机的两相励磁最大保持力矩为√3T1(T1为单相励磁转矩),而二相电机为√2T1,所以三相电机的合成力矩大。
⑶三相电机的转矩波动比二相电机要小。
⑷三相电机连续2步用于半步的转矩差比二相电机的要小。
⑸三相电机绕组可以星形连接,三个终端驱动,励磁电路晶体管6个; 而二相电机是8个。
⑹连续运转时,由于三相步进电机结构原因,磁通和电流的三次谐波被消除了,所以三相电机的振动力矩比二相电机的要小。
深圳市维科特机电有限公司成立于2005年,是步进电机产品的销售、系统集成和应用方案提供商。
我们和全球产品性价比高的生产厂家合作,结合本公司专家团队多年的客户服务经验,给客户提供有市场竞争力的步进电机系统解决方案。
我们的主要产品有信浓(SHINANO KENSHI)混合式步进电机、日本脉冲(NPM)永磁式步进电机、减速步进电机、带刹车步进电机、直线步进电机、空心轴步进电机、防水步进电机以及步进驱动器、减振垫、制振环、电机引线、拖链线、齿轮、同步轮、手轮等专业配套产品。
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二相混合式直线步进电机的三维场分析
作者:太原理工大学熊光煜牛华
摘要:二相混合式直线步进电动机作为一种理想的高科技直线驱动器,在高分辨率直接驱动的直线伺服系统中得到了广泛应用。
本文以日本神钢电机株式会社生产的SLPMU-025A为研究样机,利用Ansoft公司的Maxwell 3D软件建立了SLPMU-025A的三维模型,通过有限元方法计算了电机的静态磁场,重点分析了电机齿层区域的磁场,使计算精度大为提高。
并得到了电机的静推力——位移特性。
关键词:直线步进电动机;有限元分析;三维磁场
1. SLPMU-025A的简介
SLPMU系列直线步进电动机是日本神钢电机株式会社开发生产的二相直线步进电动机。
SLPMU-025A是作为微型计算机末端的薄型打印机的早期产品而开发设计的。
图1是其外观图。
图1 SLPMU-025A的外观图
SLPMU-025A的结构如图2,图3和图4所示。
它是由动子和定子两部分组成的。
按一定方式通电时,动子在定子的上方作步进的直线运动。
背铁、永久磁铁、铁心和绕组组合成为电机的动子,动子的铁心是由硅钢片叠制而成的。
由线圈围绕的铁心柱构成电机的磁极,磁极分前后两排布置。
每个磁极上均匀排列着三个齿。
图2 SLPMU-025A正视图图3 SLPMU-025A侧视图
电机的定子是由矽铁片刻成两排栅网状贴于软铁上加工而成的(如图4所示)。
磁极上的齿宽和槽宽与定子上的齿宽和槽宽相等,齿距相等。
图4 SLPMU-025A定子俯视图
单相4拍运行时,也就是按顺序通电时,电机的动子就以τ/4的步距向右行进。
定子的前后两排齿相差τ/2(τ为一个齿距),这样可使电机的动子运行更加平稳。
定子后排齿沿y轴方向对应的磁极依次为。
2. SLPMU-025A的三维磁场分析
2.1. 建立三维仿真模型
利用Maxwell 3D对SLPMU-025A进行三维磁场分析,首先要建立它的三维仿真模型,参见图5。
因为要做的是静态特性分析,动子在定子上移动的范围有限,所以定子只取了相应的一小段,这样可以大大减少剖分计算量,缩短计算时间。
建立了三维模型之后,对各材料定义属性,然后定义边界条件和源电流,最后求力。
先求SLPMU-025A在固定的某一点动子所受的电磁力,然后再通过后处理可以看到对应的剖分图和磁场分析情况。
这里首先以A极下动子齿和定子齿对齐时的这一点为例,做它的电磁力计算及磁场分析。
得到的结果是动子y方向所受的电磁力大小为19.121[N],三棱柱剖分单元达到165061 个。
2.2. 背铁中的磁场分布
与动子对应的背铁部分的磁场分布的计算结果如图6 所示。
由图6可见,沿x轴,磁场分布是不均匀的,而在二维磁场分析时则认为是相同的。
图 6 与动子对应的背铁的磁密
由图6可以看到,背铁的最大磁密为1.7949[T],不存在过饱和现象。
对于二相混合式直线步进电动机的磁密计算而言,最关键的部分应该是齿层区域。
2.3. 齿层区域的磁场分析
对于步进电机的静态特性而言,一个重要问题就是分析它的齿层区域的磁场。
由于SLPMU-025A的定子齿高度只有0.3mm,宽度只有0.8mm,所以极易饱和。
图7与图8表示在动子A极与定子齿对齿时,对B相通正向电流时得到的定子表面磁密图。
定子齿对应A极与极的磁密如图7所示。
定子齿对应B极与A-极的磁密如图8所示。
由图7可以看出,A极下的磁密比B-极下的磁密大,因为A极与定子的关系是齿对齿,而A-极与定子的关系是齿对槽,而磁通总是沿着磁导最大的路径闭合。
由图8可以看出,B极下的磁密最大值达到3.4295[T],出现过饱和现象。
A-极下由于磁通相互抵消,所以磁密非常小,最大只有0.6956[T]。
3. SLPMU-025A的静推力——位移特性实验值与计算值的比较
当给SLPMU-025A的单相线圈持续通1.2A直流电时,求得的一个周期的静推力——位移特性计算值与实验值的比较如图9所示。
图9 SLPMU-025A 静推力-位移特性实验值与计算值的比较
按二相混合式直线步进电动机SLPMU-025A 的结构来说,其静推力只与动子和定子的相对位置有关,应该是具有周期性和上下对称性的。
静推力的最大正值和最小负值的绝对值应该相等。
由图9可以看出,SLPMU-025A的静推力——位移特性的计算值与实验值的总体趋势差不多,上半部分的计算值和实验值大体吻合。
下班部分计算值与实验值相差的主要原因是因为忽略了摩擦力的影响,这是造成负方向上的实验值与计算值偏差较大的主要原因。
4. 结论
本文应用有限元软件Maxwell 3D 计算了电机内的静态磁场,重点分析计算了电机齿层区域内的磁场变化情况。
并得到了电机的静推力——位移特性,与实验值进行了比较。
本文利用“场”的方法代替了以前“路”的方法及“场路结合”的方法,使计算精度大为提高,尤其对于步进电机的关键部分——齿层区域的磁场精确求解比较有意义,例如可以根据磁密的饱和程度来精确选材。
本文主要是对步进电机进行了静态场分析,在此基础上可以进行进一步的深入计算如瞬态计算等。
参考文献:
1 丁志刚.直线步进电动机的原理、控制和应用.北京:机械工业出版社,1994
2 牛华.二相混合式直线步进电动机的研究.太原:[硕士学位论文]太原理工大学,2000,4(end)。