步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)
徐孝同
(安徽雷鳴科化股分有限公司， 安徽淮北235000)
摘 要：闡述了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理，介紹了恒流斬波、脈寬調(diào)制及細(xì)分驅(qū)動(dòng)等步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)中的相關(guān)技術(shù)，并給出了實(shí)現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；恒流斬波； 脈寬調(diào)制； 細(xì)分驅(qū)動(dòng)； 單片機(jī)
0 引言
作為一種把數(shù)字電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的機(jī)電元件，步進(jìn)電機(jī)具有控制簡(jiǎn)單、價(jià)格低、維護(hù)容易、定位精度高、無累積位置誤差、可自鎖、控制成本低等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。但步進(jìn)電機(jī)的性能依賴于驅(qū)動(dòng)電路的控制方式。因此，研制性能優(yōu)良的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及智能化控制系統(tǒng)非常必要，而其目前在許多控制范圍內(nèi)仍是一個(gè)棘手的問題。因此，本文就是想通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制方法的分析和研究，尋求制作和設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制器的方法，以便做出滿足工業(yè)和科研需要的步進(jìn)電機(jī)控制器。
1、脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)原理
脈寬調(diào)制方式是一種供電電壓比電機(jī)額定供電電壓高得多的情況下而采用斬波方式使電動(dòng)機(jī)繞組電流從低速到高速運(yùn)行范圍內(nèi)保持恒定的一種驅(qū)動(dòng)方式，其工作原理如圖1 所示。工作中，由單片機(jī)或環(huán)形分配器送來的步進(jìn)電機(jī)脈沖控制信號(hào)與vpwm端輸入的pwm脈沖寬度調(diào)制信號(hào)相與，則在與門y的輸出端產(chǎn)生受控于vin的間歇脈沖序列vb，這個(gè)脈沖序列使功放管t處于高頻開關(guān)狀態(tài)，從而在步進(jìn)電機(jī)的繞組上產(chǎn)生如圖2 所示的電流il 。通過改變?cè)撁}沖序列的占空比或電源電壓則可改變繞組中穩(wěn)態(tài)電流的大小。當(dāng)t關(guān)斷時(shí)，繞組電流經(jīng)rd ，d 構(gòu)成泄放回路續(xù)流[1～2 ] 。
高頻脈沖序列脈寬的減小可以粗略地認(rèn)為等效于電源電壓的減小，但是它對(duì)應(yīng)的電流波形并不如純粹的低壓功放電路那樣上升緩慢，因它具有較好的高頻特性，從而不會(huì)在電流上升的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生過量的能量，使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)得多，有效地抑制了低頻共振現(xiàn)象，因此該電路又稱為斬波平滑功放電路。
該電路的另一個(gè)特點(diǎn)是效率的提高尤其明顯，在輸出功率相同的情況下，斬波平滑功放只需普通單電壓功放電路大約一半的輸入功率。
2、細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式
2.1.1 細(xì)分原理分析
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路，如果按照環(huán)形分配器決定的分配方式，控制電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或截止，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)所需的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，則步距角只有二種，即整步工作或半步工作，步距角已由電機(jī)結(jié)構(gòu)所確定。如果要求步進(jìn)電機(jī)有更小的步距角，更高的分辨率，或者為了電機(jī)振動(dòng)、噪聲等原因，可以在每次輸入脈沖切換時(shí)，只改變相應(yīng)繞組中額定的一部分，則電機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分，轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)行也只有步距角的一部分。這里，繞組電流不是一個(gè)方波，而是階梯波，額定電流是臺(tái)階式的投入或切除，電流分成多少個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的次數(shù)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，這種將一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)方法，稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。在國(guó)外，對(duì)于步進(jìn)系統(tǒng)，主要采用二相混合式步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。但在國(guó)內(nèi)，廣大用戶對(duì)“細(xì)分”還不是特別了解，有的只是認(rèn)為，細(xì)分是為了提高精度，其實(shí)不然，細(xì)分主要是改善電機(jī)的運(yùn)行性能。由于細(xì)分驅(qū)動(dòng)器要精確控制電機(jī)的相電流，所以對(duì)驅(qū)動(dòng)器要有相當(dāng)高的技術(shù)要求和工藝要求，成本亦會(huì)較高[3 ] 。
圖3 給出了三相步進(jìn)電機(jī)八細(xì)分時(shí)的各相電流狀態(tài)。
由于各相電流是以1p4 的步距上升或下降的，原來一步所轉(zhuǎn)過的角度θ將由八步完成，實(shí)現(xiàn)了步距角的八細(xì)分。由此可見，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵在于細(xì)分步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組中的電流。
2.1.2 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路
為了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的相電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到細(xì)分步進(jìn)電機(jī)步距角的目的，人們?cè)O(shè)計(jì)了很多種步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，特別是單片計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，為步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)帶來了便利。目前，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路大多數(shù)都采用單片微機(jī)控制，它們的構(gòu)成框圖如圖4 所示。單片機(jī)根據(jù)要求的步距角計(jì)算出各相繞組中通過的電流值，并輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(dpa) 中，由dpa 把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓，經(jīng)過環(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(yīng)的電流，來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分。單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)末級(jí)功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開關(guān)型兩種(見下圖5) [4～6 ] 。
放大型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中末級(jí)功放管的輸出電流直接受單片機(jī)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(jí)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(yán)重，容易引起晶體管的溫漂，影響驅(qū)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(qū)動(dòng)電路一般應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)電流較小、控制精度較高、散熱情況較好的場(chǎng)合。開關(guān)型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中的末級(jí)功放管工作在開關(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(xì)分電路中晶體管發(fā)熱嚴(yán)重的問題。但電路較復(fù)雜，輸出的電流有一定的波紋。因此該驅(qū)動(dòng)電路一般用于輸出力矩較大的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。隨著大輸出力矩步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展，開關(guān)型細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路近年來得到長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，最常用的開關(guān)型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路有斬波式和脈寬調(diào)制(pwm) 式兩種。斬波式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的基本工作原理是對(duì)電機(jī)繞組中的電流進(jìn)行檢測(cè)，和dpa 輸出的控制電壓進(jìn)行比較，若檢測(cè)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(dǎo)通。這樣，dpa輸出不同的控制電壓，繞組中將流過不同的電流值。脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路是把dpa 輸出的控制電壓加在脈寬調(diào)制電路的輸入端，脈寬調(diào)制電路將輸入的控制電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)脈沖寬度的矩形波，通過對(duì)功放管通斷時(shí)間的控制，改變輸出到電機(jī)繞組上的平均電流。由于電機(jī)繞組是一個(gè)感性負(fù)
載，對(duì)電流有一定的波波作用，而且脈寬調(diào)制電路的調(diào)制頻率較高，一般大于20 khz ，因此，雖然是斷續(xù)通電，但電機(jī)繞組中的電流還是較平穩(wěn)的。和斬波式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路相比，脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的控制精度高，工作頻率穩(wěn)定，但線路較復(fù)雜。因此，脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路多用于綜合驅(qū)動(dòng)
性能要求較高的場(chǎng)合。
3、結(jié)論
該論文闡述了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)，讀者根據(jù)它可以設(shè)計(jì)出符合控制要求的高性能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器廣泛用于工礦企業(yè)中的數(shù)控電子設(shè)備的精確開環(huán)控制，以滿足工業(yè)自動(dòng)化要求。
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