步進電機驅動器的關鍵技術研究

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引 言
步進電機是一種將電脈沖信號轉換為角位移的執(zhí)行機構,。其主要優(yōu)點是有較高的定位精度,，無位置累積誤差,；特有的開環(huán)運行機制,，與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比降低了系統(tǒng)成本，提高了可靠性,，在數(shù)控領域得到了廣泛的應用,。但是，步進電機在低速運行時的振動,、噪聲大,，在步進電機的自然振蕩頻率附近運行時易產(chǎn)生共振，且輸出轉矩隨著步進電機的轉速升高而下降,，這些缺點限制了步進電機的應用范圍,。步進電機的性能在很大程度上取決于所用的驅動器，改善驅動器的性能,，可以顯著地提高步進電機的性能,，因此研制高性能的步進電機驅動器是一項普遍關注的課題。


1 步進電機驅動控制系統(tǒng)概述
通常情況下,，步進電機驅動系統(tǒng)由3部分構成：
①控制電路,。用于產(chǎn)生脈沖，控制電機的速度和轉向,。
②驅動電路,。即本文的研究內容，由圖1所示的脈沖信號分配和功率驅動電路組成,。根據(jù)控制器輸入的脈沖和方向信號,，為步進電機各繞組提供正確的通電順序，以及電機需要的高電壓,、大電流,；同時提供各種保護措施，比如過流,、過熱等,。
③步進電機�,？刂菩盘柦�(jīng)驅動器放大后驅動步進電機,，帶動負載。




2 步進電機驅動方法的比較
2．1 恒電壓驅動方式
2．1．1 單電壓驅動
單電壓驅動是指在電機繞組工作過程中,，只用一個方向電壓對繞組供電,。如圖2所示，L為電機繞組,，VCC為電源,。當輸入信號In為高電平時，提供足夠大的基極電流使三極管T處于飽和狀態(tài)，若忽略其飽和壓降,，則電源電壓全部作用在電機繞組上,。當In為低電平時，三極管截止,，繞組無電流通過,。




為使通電時繞組電流迅速達到預設電流，串入電阻Rc,；為防止關斷T時繞組電流變化率太大,，而產(chǎn)生很大的反電勢將T擊穿，在繞組的兩端并聯(lián)一個二極管D和電阻Rd,，為繞組電流提供一個泄放回路,，也稱“續(xù)流回路”。
單電壓功率驅動電路的優(yōu)點是電路結構簡單,、元件少,、成本低、可靠性高,。但是由于串入電阻后,，功耗加大，整個功率驅動電路的效率較低,，僅適合于驅動小功率步進電機,。
2．1．2 高低壓驅動
為了使通電時繞組能迅速到達設定電流，關斷時繞組電流迅速衰減為零,，同時又具有較高的效率,，出現(xiàn)了高低壓驅動方式。
如圖3所示,，Th,、T1分別為高壓管和低壓管，Vh,、V1分別為高低壓電源,，Ih、I1分別為高低端的脈沖信號,。在導通前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流,。高低壓驅動可獲得較好的高頻特性,，但是由于高壓管的導通時間不變，在低頻時,，繞組獲得了過多的能量,，容易引起振蕩。可通過改變其高壓管導通時間來解決低頻振蕩問題,，然而其控制電路較單電壓復雜,，可靠性降低，一旦高壓管失控,，將會因電流太大損壞電機,。
2．2 恒電流斬波驅動方式
2．2．1 自激式恒電流斬波驅動
圖4為自激式恒電流斬波驅動框圖。把步進電機繞組電流值轉化為一定比例的電壓,，與D／A轉換器輸出的預設值進行比較,，控制功率管的開關，從而達到控制繞組相電流的目的,。從理論上講,，自激式恒電流斬波驅動可以將電機繞組的電流控制在某一恒定值。但由于斬波頻率是可變的,，會使繞組激起很高的浪涌電壓,，因而對控制電路產(chǎn)生很大的干擾，容易產(chǎn)生振蕩,，可靠性大大降低,。



2．2．2 它激式恒電流斬波驅動
為了解決自激式斬波頻率可變引起的浪涌電壓問題，可在D觸發(fā)器加一個固定頻率的時鐘,。這樣基本上能解決振蕩問題,，但仍然存在一些問題。比如：當比較器輸出的導通脈沖剛好介于D觸發(fā)器的2個時鐘上升沿之間時,，該控制信號將丟失,，一般可通過加大D觸發(fā)器時鐘頻率解決。
2．3 細分驅動方式
這是本文討論的重點,，也是該系統(tǒng)采用的驅動方法,。細分驅動最主要的優(yōu)點是步距角變小，分辨率提高,，且提高了電機的定位精度,、啟動性能和高頻輸出轉矩；其次,，減弱或消除了步進電機的低頻振動,，降低了步進電機在共振區(qū)工作的幾率�,？梢哉f細分驅動技術是步進電動機驅動與控制技術的一個飛躍,。
細分驅動是指在每次脈沖切換時，不是將繞組的全部電流通入或切除,，而是只改變相應繞組中電流的一部分,，電動機的合成磁勢也只旋轉步距角的一部分,。細分驅動時，繞組電流不是一個方波而是階梯波,，額定電流是臺階式的投入或切除,。比如：電流分成n個臺階，轉子則需要n次才轉過一個步距角,，即n細分,，如圖5所示。



一般的細分方法只改變某一相的電流,，另一相電流保持不變,。如圖5所示，在O°～45°,，Ia保持不變,，Ib由O逐級變大；在45°～90°,，Ib保持不變,，Ia由額定值逐級變?yōu)?。該方法的優(yōu)點是控制較為簡單,，在硬件上容易實現(xiàn),；但由圖6所示的電流矢量合成圖可知，所合成的矢量幅值是不斷變化的,，輸出力矩也跟著不斷變化,，從而引起滯后角的不斷變化。當細分數(shù)很大,、微步距角非常小時,，滯后角變化的差值已大于所要求細分的微步距角，使得細分實際上失去了意義,。
這就是目前常用的細分方法的缺陷,，那么有沒有一種方法讓矢量角度變化時同時保持幅值不變呢?由上面分析可知，只改變單一相電流是不可能的,，那么同時改變兩相電流呢?即Ia,、Ib以某一數(shù)學關系同時變化，保證變化過程中合成矢量幅值始終不變,�,；�于此，本文建立一種“額定電流可調的等角度恒力矩細分”驅動方法,，以消除力距不斷變化引起滯后角的問題,。如圖7所示，隨著A,、B兩相相電流Ia、Ib的合成矢量角度不斷變化，其幅值始終為圓的半徑,。



下面介紹合成矢量幅值保持不變的數(shù)學模型：當Ia=Im·cosx,，Ib=Im·sinx時（式中Im為電流額定值，Ia,、Ib為實際的相電流,，x由細分數(shù)決定），其合成矢量始終為圓的半徑,，即恒力距,。
等角度是指合成的力臂每次旋轉的角度一樣。額定電流可調是指可滿足各種系列電機的要求,。例如,，86系列電機的額定電流為6～8 A，而57系列電機一般不超過6 A,，驅動器有各種檔位電流可供選擇,。細分為對額定電流的細分。
為實現(xiàn)“額定電流可調的等角度恒力距”,，理論上只要各相相電流能夠滿足以上的數(shù)學模型即可,。這就要求電流控制精度非常高，不然Ia,、Ib所合成的矢量角將出現(xiàn)偏差,，即各步步距角不等，細分也失去了意義,。下面給出了基于該驅動方法的驅動器的設計方案,。

3 二相步進電機驅動器的總體設計方案
3．1 系統(tǒng)設計框圖
如圖8所示，控制板信號經(jīng)過光耦隔離與單片機中斷口相連,。




單片機根據(jù)收到的脈沖信號進行脈沖信號分配,，確定各相通電順序，并與CPLD里面的D觸發(fā)器相連,；同時根據(jù)用戶設定的電流值和細分數(shù)通過SPI口與D／A轉換器AD5623通信,，得到設定的電流值（實際上是電流對應的電壓值）。
AD5623輸出的值為期望的電流對應的電壓值,，它必須與從功率模塊檢測得到的電流對應的電壓值進行比較,，并把比較結果與CPLD里面的D觸發(fā)器CLR引腳相連。
CPLD與電流,、細分設定的撥碼開關相連,，把得到的值通過SPI口傳給單片機；以D觸發(fā)器為核心的控制邏輯,，根據(jù)單片機的各相通電順序和比較器MAX907的比較結果確定各功率管的開關,。
功率驅動模塊直接與電機相連,，驅動電機。采用8個MOS管IRF740構成2個H橋雙極型驅動電路,。IRF740最高可承受400 V電壓和10 A電流,，開關轉換時間不會超過51 ns，管子導通電壓Vgs的取值范圍為4～20 V,。
3．2 細分關鍵技術方案
“額定電流可調的等角度恒力矩細分”驅動方法的實質是恒流控制,，關鍵是電流的精確控制，必須同時滿足以下各個條件：
①D／A轉換器輸出的電流值必須與期望值相當接近,，而且轉換速度要快,。該系統(tǒng)采用ADI公司的AD5623，12位精度,，分成4 096個等級,，滿足了200細分的高精度要求；2路D／A輸出滿足兩相的要求,；SPI口通信,，頻率高達50 MHz，建立時間快,，同時單電壓供電,，連接簡單。
②檢測到的電流必須能正確地反映此時的相電流,。由于電機的相電流通常很大,，電壓很高，檢測有一定的難度,。常用的檢測方法有外接標準小電阻,，電路簡單，但干擾比較大,，準確性比較差,；霍爾傳感器檢測準確，干擾小,，連接也不復雜,，所以該驅動器采用霍爾傳感器。
③比較器分辨率要高,，轉換速度快,。MAX907的建立時間只需12 ns，比較的電壓只要相差2 mV即可檢測出來（最大不超過4 mV）,，反應非常靈敏,。
④控制功率管開關的邏輯電路要有很高的實時性，保證相電流在設定電流上下做很小的波動,，以免引起浪涌,，干擾控制電路,。
本文采用Xilinx公司的CPLD芯片XC9572。以D觸發(fā)器為核心的控制電路全部由CPLD完成,，CPLD代替了各種分立元器件,，結構簡單，連接方便,。圖9是控制電路的邏輯圖。



如圖9所示,，當比較結果為低電平時（檢測到的電流大于設定電流）,，D觸發(fā)器輸出為1，或門輸出高電平,，關斷管子,，電流變小,；當檢測到電流小于設定電流時,，管子導通，從而保證相電流在設定電流上下做很小的波動,。

結 語
本文建立了“額定電流可調的等角度恒力矩細分”驅動方法,，并基于該方法設計實現(xiàn)了二相混合式步進電機驅動器，最高可達200細分,，驅動電流從O．5 A／相到8 A／相可調,，可驅動24系列到86系列的步進電機。實際應用證明,，該方法基本上克服了傳統(tǒng)步進電機低速振動大和噪聲大的缺點,，電機在較大速度范圍內轉矩保持恒定，提高了控制精度,，減小了發(fā)生共振的幾率,，具有很好的穩(wěn)定性、可靠性和通用性,，且結構簡單,。

[ 本帖最后由 kaxmm 于 2008-11-30 11:06 編輯 ]

黃一鈁

不錯的資料！

dzw1988

非常好的資料,，謝謝樓主分享,！

鄧龍軍

技術資料不錯，不是很全面呀,，先頂一下,。