摘要：闡述了步進(jìn)電機的細分驅動(dòng)原理，介紹了單片機控制的放大型、斬波式、脈寬調制式等步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路的結構和控制原理，指出了各種驅動(dòng)電路的應用場(chǎng)合和對步進(jìn)電機細分驅動(dòng)的相電流控制策略
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機；細分驅動(dòng)；放大型；斬波式；脈寬調制式
步進(jìn)電機作為一種電脈沖——角位移的轉換元件，由于具有價(jià)格低廉、易于控制、無(wú)積累誤差和計算機接口方便等優(yōu)點(diǎn)，在機械、儀表、工業(yè)控制等領(lǐng)域中獲得了廣泛的應用。但是由于受制造工藝的影響，步進(jìn)電機的步距角一般較大，而且還存在低頻振動(dòng)，在低頻時(shí)有明顯的“步進(jìn)”感［1］。這些缺點(diǎn)使步進(jìn)電機一般只能應用在一些要求較低的場(chǎng)合。
步進(jìn)電機細分驅動(dòng)技術(shù)是70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種可以顯著(zhù)改善步進(jìn)電機綜合使用性能的驅動(dòng)控制技術(shù)。1975年美國學(xué)者T.R. Fredriksen首次在美國增量運動(dòng)控制系統及器件年會(huì )上提出了步進(jìn)電機步距角細分的控制方法［2］。在其后的二十多年里，步進(jìn)電機細分驅動(dòng)技術(shù)得到了很大的發(fā)展，并在實(shí)踐中得到廣泛的應用。實(shí)踐證明，步進(jìn)電機細分驅動(dòng)技術(shù)可以減小步進(jìn)電機的步距角，提高電機運行的平穩性，增加控制的靈活性等［1，3，4］。
1 步進(jìn)電機細分驅動(dòng)原理［5］
步進(jìn)電機的驅動(dòng)是靠給步進(jìn)電機的各相勵磁繞組輪流通以電流,實(shí)現步進(jìn)電機內部磁場(chǎng)合成方向的變化來(lái)使步進(jìn)電機轉動(dòng)的。圖1是三相反應式步進(jìn)電機的磁場(chǎng)矢量圖。圖中的矢量TA，TB，TC為步進(jìn)電機A，B，C三相勵磁繞組分別通電時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)矢量,TAB，TBC，TCA為步進(jìn)電機中AB，BC，CA兩相同時(shí)通電產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)矢量。從圖1a中可以看出，當給步進(jìn)電機的A，B，C三相輪流通電時(shí),步進(jìn)電機的內部磁場(chǎng)從TA變化到TB再變化到TC，即磁場(chǎng)產(chǎn)生了旋轉。一般情況下,當步進(jìn)電機的內部磁場(chǎng)變化一周(360°角)時(shí),電機的轉子轉過(guò)一個(gè)齒距,因此,步進(jìn)電機的步距角θB可表示為
式中，Nr為步進(jìn)電機的轉子齒數；θM為步進(jìn)電機運行時(shí)兩相鄰穩定磁場(chǎng)之間的夾角。
圖1 三相步進(jìn)電機磁場(chǎng)矢量圖
θM與電機的相數(m)和電機的運行拍數有關(guān)。例如在圖1a中，電機以單三拍方式運行，θM=120°；在圖1b中，電機以三相六拍方式運行，θM=60°，和單三拍方式相比，θM和θB都減小了一倍，實(shí)現了步距角的二細分。但是在通常的步進(jìn)電機驅動(dòng)線(xiàn)路中,由于通過(guò)各相繞組的電流是個(gè)開(kāi)關(guān)量，即繞組中的電流只有零和某一額定值兩種狀態(tài)，相應的各相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是一個(gè)開(kāi)關(guān)量，只能通過(guò)各相的通電組合來(lái)減小θM和θB，這樣可達到的細分數很有限。以三相反應式步進(jìn)電機為例,最多只能實(shí)現二細分，對于相數較多的步進(jìn)電機可達到的細分數稍大一些，但也很有限。因此要使可達到的細分數較大,就必須能控制步進(jìn)電機各相勵磁繞組中的電流,使其按階梯上升或下降,即在零到最大相電流之間能有多個(gè)穩定的中間電流狀態(tài)，相應的磁場(chǎng)矢量幅值也就存在多個(gè)中間狀態(tài)，這樣相鄰兩相或多相的合成磁場(chǎng)的方向也將有多個(gè)穩定的中間狀態(tài)。圖2給出了三相步進(jìn)電機八細分時(shí)的各相電流狀態(tài)。由于各相電流是以1/4的步距上升或下降的,在圖1a中的TA，TB中間又插入了七個(gè)穩定的中間狀態(tài)，原來(lái)一步所轉過(guò)的角度θB將由八步完成，實(shí)現了步距角的八細分。由此可見(jiàn)，步進(jìn)電機細分驅動(dòng)的關(guān)鍵在于細分步進(jìn)電機各相勵磁繞組中的電流。
圖2 三相步進(jìn)電機八細分時(shí)的各相電流狀態(tài)圖
2 步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路［1，6～10］
為了對步進(jìn)電機的相電流進(jìn)行控制，從而達到細分步進(jìn)電機步距角的目的，人們曾設計了很多種步進(jìn)電機的細分驅動(dòng)電路。最初，對電機相電流的控制是由硬件來(lái)實(shí)現的，每一相繞組的相電流用n個(gè)晶體管構成n個(gè)并聯(lián)回路來(lái)控制,靠晶體管導通數的組合來(lái)控制相電流。這種細分驅動(dòng)電路線(xiàn)路復雜,體積大,成本高,而且電路一旦制造出來(lái)就難以改變其細分數,缺乏柔性,因此在目前的實(shí)際應用中已很少采用這種方法。
隨著(zhù)微型計算機的發(fā)展， 特別是單片計算機的出現， 為步進(jìn)電機的細分驅動(dòng)帶來(lái)了便利。目前，步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路大多數都采用單片微機控制，它們的構成框圖如圖3所示。單片機根據要求的步距角計算出各項繞組中通過(guò)的電流值，并輸出到數模轉換器(D/A)中，由D/A把數字量轉換為相應的模擬電壓，經(jīng)過(guò)環(huán)形分配器加到各相的功放電路上，控制功放電路給各相繞組通以相應的電流，來(lái)實(shí)現步進(jìn)電機的細分。
圖3 單片機控制的步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路的結構框圖
單片機控制的步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路根據末級功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開(kāi)關(guān)型兩種。放大型步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路中末級功放管的輸出電流直接受單片機輸出的控制電壓控制，電路較簡(jiǎn)單，電流的控制精度也較高，但是由于末級功放管工作在放大狀態(tài)，使功放管上的功耗較大，發(fā)熱嚴重，容易引起晶體管的溫漂，影響驅動(dòng)電路的性能。甚至還可能由于晶體管的熱擊穿，使電路不能正常工作。因此該驅動(dòng)電路一般應用于驅動(dòng)電流較小、控制精度較高、散熱情況較好的場(chǎng)合。
開(kāi)關(guān)型步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路中的末級功放管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而使得晶體管上的功耗大大降低，克服了放大型細分電路中晶體管發(fā)熱嚴重的問(wèn)題。但電路較復雜，輸出的電流有一定的波紋。因此該驅動(dòng)電路一般用于輸出力矩較大的步進(jìn)電機的驅動(dòng)。隨著(zhù)大輸出力矩步進(jìn)電機的發(fā)展，開(kāi)關(guān)型細分驅動(dòng)電路近年來(lái)得到長(cháng)足的發(fā)展。
目前，最常用的開(kāi)關(guān)型步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路有斬波式和脈寬調制（PWM）式兩種。斬波式細分驅動(dòng)電路的基本工作原理是對電機繞組中的電流進(jìn)行檢測，和D/A輸出的控制電壓進(jìn)行比較，若檢測出的電流值大于控制電壓，電路將使功放管截止，反之，使功放管導通。這樣，D/A輸出不同的控制電壓，繞組中將流過(guò)不同的電流值。脈寬調制式細分驅動(dòng)電路是把D/A輸出的控制電壓加在脈寬調制電路的輸入端，脈寬調制電路將輸入的控制電壓轉換成相應脈沖寬度的矩形波,通過(guò)對功放管通斷時(shí)間的控制, 改變輸出到電機繞組上的平均電流。由于電機繞組是一個(gè)感性負載，對電流有一定的濾波作用，而且脈寬調制電路的調制頻率較高，一般大于20 kHz，因此,雖然是斷續通電，但電機繞組中的電流還是較平穩的。和斬波式細分驅動(dòng)電路相比，脈寬調制式細分驅動(dòng)電路的控制精度高、工作頻率穩定，但線(xiàn)路較復雜。因此，脈寬調制式細分驅動(dòng)電路多用于綜合驅動(dòng)性能要求較高的場(chǎng)合。
脈寬調制式細分驅動(dòng)電路的關(guān)鍵是脈寬調制,它的作用是將給定的電壓信號調制成具有相應脈沖寬度的矩形波。目前脈寬調制電路有模擬和數字之分，本文以模擬脈寬調制電路來(lái)說(shuō)明脈寬調制的原理。圖4為脈寬調制電路的原理圖和波形圖，鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生周期為T(mén)的鋸齒波信號Uw，加在比較器的反向輸入端，控制電壓Ug加在比較器的正相輸入端，在t1期間，Ug＞Uw，比較器的輸出為高電平，在t2期間，Ug＜Uw，比較器的輸出為低電平。由波形圖可以看出，t1的寬度取決于控制電壓Ug的大小，Ug越大，t1越大，相應的輸出脈沖寬度也越寬。只要鋸齒波的線(xiàn)性很好，則輸出的脈沖寬度和控制電壓Ug將成很好的線(xiàn)性關(guān)系。輸出脈沖串的周期等于鋸齒波的周期T。
圖4 脈寬調制電路的原理及波形圖
3 步進(jìn)電機細分的控制策略［10～13］
由步進(jìn)電機的細分原理可知，步進(jìn)電機的細分控制從本質(zhì)上講是通過(guò)對步進(jìn)電機的勵磁繞組中電流的控制,使步進(jìn)電機內部的合成磁場(chǎng)按某種要求變化，從而實(shí)現步進(jìn)電機步距角的細分。最初的步進(jìn)電機細分驅動(dòng)只是對電機的繞組電流加以簡(jiǎn)單地控制，如控制電流均勻上升、下降等，顯然，這樣簡(jiǎn)單控制的結果將使細分之后的步距角很不均勻。隨著(zhù)步進(jìn)電機細分驅動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，如何通過(guò)改進(jìn)電機相電流的控制策略來(lái)增加細分的均勻性，提高運行的穩定性，減小運動(dòng)噪聲及振動(dòng)等越來(lái)越受到人們的重視，并取得了很大進(jìn)展。有關(guān)研究和實(shí)驗證明，對于不同類(lèi)型和相數的步進(jìn)電機應采取不同的電流控制策略。例如有關(guān)資料指出，對于兩相雙極型混合式步進(jìn)電機，采用正余弦形的驅動(dòng)電流較為理想，而對于反應式步進(jìn)電機一般采用諧波較少的階梯型驅動(dòng)電流較為理想。
為了使步進(jìn)電機細分驅動(dòng)后力矩恒定而微步距均勻，近年來(lái)又提出了步進(jìn)電機的恒力矩均勻細分的相電流控制策略。一般情況下，電機內部合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了電機旋轉力矩的大小,而相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。恒力矩均勻細分控制就是通過(guò)合理地控制步進(jìn)電機的相電流，使電機內部的合成磁場(chǎng)在空間作幅值恒定的均勻旋轉運動(dòng)。
步進(jìn)電機均勻細分控制時(shí)相電流的通用計算公式為
式中Im為電機的額定電流，θ為A，B兩相的合成磁場(chǎng)矢量與A相磁場(chǎng)矢量的夾角，β為相鄰兩相繞組單獨通電時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)矢量之間的夾角，即TA，TB之間的夾角，它一般與步進(jìn)電機的類(lèi)型及相數有關(guān)。對于三相反應式步進(jìn)電機有β=2π/3，則式（2）可寫(xiě)為
對于兩相雙極型混合式步進(jìn)電機有β=π/2，則（2）可寫(xiě)為
雖然公式（2）從理論上推導出了步進(jìn)電機均勻細分時(shí)相電流的變化規律，但該公式在推導過(guò)程中,假設步進(jìn)電機中的相電流與磁場(chǎng)幅值之間成線(xiàn)性關(guān)系。然而實(shí)際上,步進(jìn)電機中的相電流與磁場(chǎng)幅值是非線(xiàn)性關(guān)系關(guān)系的,而且還存在磁滯現象等。因而在使用時(shí)必須對式(2)進(jìn)行修正。
作者單位：佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 機電及自動(dòng)化工程系，廣東 佛山 528000
參考文獻：
［1］ 徐杜，蔣永平，周韶勇，等.全數字式步進(jìn)電機連續細分方法與實(shí)現［J］.微特電機，1997，（2）：25～29.
［2］ 王宗培.步進(jìn)電動(dòng)機及其控制系統［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1984.4～5.
［3］ 周尊源，S M歐文斯.正弦波細分步進(jìn)電機微步驅動(dòng)器［J］.微特電機，1997，（5）：29～37.
［4］ 范正翹，劉進(jìn)，程勝.單片機控制的步進(jìn)電機綜合微步距驅動(dòng)系統［J］.微特電機，1996，（3）：30～31.
［5］ 陳璧理.步進(jìn)電動(dòng)機及其應用［M］.上海：上�？茖W(xué)技術(shù)出版社，1983.24～37.
［6］ 錢(qián)昱明，候惠芳.步進(jìn)電機可變細分SPWM運行方法［J］.微特電機，1995，（5）：27～29.
［7］ 楊晨光，周永安.用8098單片機控制的步進(jìn)電機驅動(dòng)源［J］.微特電機， 1995，（4）：32～33.
［8］ 趙世強，齊才.步進(jìn)電機恒頻脈沖調寬細分驅動(dòng)電路［J］.微電機，1994，（3）：49～51.
［9］ 劉強，熊正鵬，鄭瑩娜.步進(jìn)電機各相同頻調制斬波驅動(dòng)電源［J］.微特電機，1994，（1）：30～33.
［10］ 羅東輝，陸培慶，江勝.步進(jìn)電機高精度細分驅動(dòng)器的研究［J］.微特電機，1993，（1）：28～30.
［11］ 程樹(shù)康.步進(jìn)電機細分控制電流的定量描述［J］.電工電能新技術(shù)，1990，（3）：25～27.
［12］ 鐘仁人.步距角任意細分的步進(jìn)電機電流波形的討論［J］.微特電機，1996，（3）：21～23.
［13］ 馮志華.步進(jìn)電機運行精度分析及細分電路的合理使用［J］.微電機，1995，（4）：47～49.
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