摘要：阐述了步进电机的细分驱动原理，介绍了单片机控制的放大型、斩波式、脉宽调制式等步进电机细分驱动电路的结构和控制原理，指出了各种驱动电路的应用场合和对步进电机细分驱动的相电流控制策略
关键词：步进电机；细分驱动；放大型；斩波式；脉宽调制式
步进电机作为一种电脉冲——角位移的转换元件，由于具有价格低廉、易于控制、无积累误差和计算机接口方便等优点，在机械、仪表、工业控制等领域中获得了广泛的应用。但是由于受制造工艺的影响，步进电机的步距角一般较大，而且还存在低频振动，在低频时有明显的“步进”感［1］。这些缺点使步进电机一般只能应用在一些要求较低的场合。
步进电机细分驱动技术是70年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术。1975年美国学者T.R. Fredriksen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［2］。在其后的二十多年里，步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中得到广泛的应用。实践证明，步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高电机运行的平稳性，增加控制的灵活性等［1，3，4］。
1 步进电机细分驱动原理［5］
步进电机的驱动是靠给步进电机的各相励磁绕组轮流通以电流,实现步进电机内部磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。图1是三相反应式步进电机的磁场矢量图。图中的矢量TA，TB，TC为步进电机A，B，C三相励磁绕组分别通电时产生的磁场矢量,TAB，TBC，TCA为步进电机中AB，BC，CA两相同时通电产生的合成磁场矢量。从图1a中可以看出，当给步进电机的A，B，C三相轮流通电时,步进电机的内部磁场从TA变化到TB再变化到TC，即磁场产生了旋转。一般情况下,当步进电机的内部磁场变化一周(360°角)时,电机的转子转过一个齿距,因此,步进电机的步距角θB可表示为
式中，Nr为步进电机的转子齿数；θM为步进电机运行时两相邻稳定磁场之间的夹角。
图1 三相步进电机磁场矢量图
θM与电机的相数(m)和电机的运行拍数有关。例如在图1a中，电机以单三拍方式运行，θM=120°；在图1b中，电机以三相六拍方式运行，θM=60°，和单三拍方式相比，θM和θB都减小了一倍，实现了步距角的二细分。但是在通常的步进电机驱动线路中,由于通过各相绕组的电流是个开关量，即绕组中的电流只有零和某一额定值两种状态，相应的各相绕组产生的磁场也是一个开关量，只能通过各相的通电组合来减小θM和θB，这样可达到的细分数很有限。以三相反应式步进电机为例,最多只能实现二细分，对于相数较多的步进电机可达到的细分数稍大一些，但也很有限。因此要使可达到的细分数较大,就必须能控制步进电机各相励磁绕组中的电流,使其按阶梯上升或下降,即在零到最大相电流之间能有多个稳定的中间电流状态，相应的磁场矢量幅值也就存在多个中间状态，这样相邻两相或多相的合成磁场的方向也将有多个稳定的中间状态。图2给出了三相步进电机八细分时的各相电流状态。由于各相电流是以1/4的步距上升或下降的,在图1a中的TA，TB中间又插入了七个稳定的中间状态，原来一步所转过的角度θB将由八步完成，实现了步距角的八细分。由此可见，步进电机细分驱动的关键在于细分步进电机各相励磁绕组中的电流。
图2 三相步进电机八细分时的各相电流状态图
2 步进电机细分驱动电路［1，6～10］
为了对步进电机的相电流进行控制，从而达到细分步进电机步距角的目的，人们曾设计了很多种步进电机的细分驱动电路。最初，对电机相电流的控制是由硬件来实现的，每一相绕组的相电流用n个晶体管构成n个并联回路来控制,靠晶体管导通数的组合来控制相电流。这种细分驱动电路线路复杂,体积大,成本高,而且电路一旦制造出来就难以改变其细分数,缺乏柔性,因此在目前的实际应用中已很少采用这种方法。
随着微型计算机的发展， 特别是单片计算机的出现， 为步进电机的细分驱动带来了便利。目前，步进电机细分驱动电路大多数都采用单片微机控制，它们的构成框图如图3所示。单片机根据要求的步距角计算出各项绕组中通过的电流值，并输出到数模转换器(D/A)中，由D/A把数字量转换为相应的模拟电压，经过环形分配器加到各相的功放电路上，控制功放电路给各相绕组通以相应的电流，来实现步进电机的细分。
图3 单片机控制的步进电机细分驱动电路的结构框图
单片机控制的步进电机细分驱动电路根据末级功放管的工作状态可分为放大型和开关型两种。放大型步进电机细分驱动电路中末级功放管的输出电流直接受单片机输出的控制电压控制，电路较简单，电流的控制精度也较高，但是由于末级功放管工作在放大状态，使功放管上的功耗较大，发热严重，容易引起晶体管的温漂，影响驱动电路的性能。甚至还可能由于晶体管的热击穿，使电路不能正常工作。因此该驱动电路一般应用于驱动电流较小、控制精度较高、散热情况较好的场合。
开关型步进电机细分驱动电路中的末级功放管工作在开关状态，从而使得晶体管上的功耗大大降低，克服了放大型细分电路中晶体管发热严重的问题。但电路较复杂，输出的电流有一定的波纹。因此该驱动电路一般用于输出力矩较大的步进电机的驱动。随着大输出力矩步进电机的发展，开关型细分驱动电路近年来得到长足的发展。
目前，最常用的开关型步进电机细分驱动电路有斩波式和脉宽调制（PWM）式两种。斩波式细分驱动电路的基本工作原理是对电机绕组中的电流进行检测，和D/A输出的控制电压进行比较，若检测出的电流值大于控制电压，电路将使功放管截止，反之，使功放管导通。这样，D/A输出不同的控制电压，绕组中将流过不同的电流值。脉宽调制式细分驱动电路是把D/A输出的控制电压加在脉宽调制电路的输入端，脉宽调制电路将输入的控制电压转换成相应脉冲宽度的矩形波,通过对功放管通断时间的控制, 改变输出到电机绕组上的平均电流。由于电机绕组是一个感性负载，对电流有一定的滤波作用，而且脉宽调制电路的调制频率较高，一般大于20 kHz，因此,虽然是断续通电，但电机绕组中的电流还是较平稳的。和斩波式细分驱动电路相比，脉宽调制式细分驱动电路的控制精度高、工作频率稳定，但线路较复杂。因此，脉宽调制式细分驱动电路多用于综合驱动性能要求较高的场合。
脉宽调制式细分驱动电路的关键是脉宽调制,它的作用是将给定的电压信号调制成具有相应脉冲宽度的矩形波。目前脉宽调制电路有模拟和数字之分，本文以模拟脉宽调制电路来说明脉宽调制的原理。图4为脉宽调制电路的原理图和波形图，锯齿波发生器产生周期为T的锯齿波信号Uw，加在比较器的反向输入端，控制电压Ug加在比较器的正相输入端，在t1期间，Ug＞Uw，比较器的输出为高电平，在t2期间，Ug＜Uw，比较器的输出为低电平。由波形图可以看出，t1的宽度取决于控制电压Ug的大小，Ug越大，t1越大，相应的输出脉冲宽度也越宽。只要锯齿波的线性很好，则输出的脉冲宽度和控制电压Ug将成很好的线性关系。输出脉冲串的周期等于锯齿波的周期T。
图4 脉宽调制电路的原理及波形图
3 步进电机细分的控制策略［10～13］
由步进电机的细分原理可知，步进电机的细分控制从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制,使步进电机内部的合成磁场按某种要求变化，从而实现步进电机步距角的细分。最初的步进电机细分驱动只是对电机的绕组电流加以简单地控制，如控制电流均匀上升、下降等，显然，这样简单控制的结果将使细分之后的步距角很不均匀。随着步进电机细分驱动技术的发展，如何通过改进电机相电流的控制策略来增加细分的均匀性，提高运行的稳定性，减小运动噪声及振动等越来越受到人们的重视，并取得了很大进展。有关研究和实验证明，对于不同类型和相数的步进电机应采取不同的电流控制策略。例如有关资料指出，对于两相双极型混合式步进电机，采用正余弦形的驱动电流较为理想，而对于反应式步进电机一般采用谐波较少的阶梯型驱动电流较为理想。
为了使步进电机细分驱动后力矩恒定而微步距均匀，近年来又提出了步进电机的恒力矩均匀细分的相电流控制策略。一般情况下，电机内部合成磁场矢量的幅值决定了电机旋转力矩的大小,而相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。恒力矩均匀细分控制就是通过合理地控制步进电机的相电流，使电机内部的合成磁场在空间作幅值恒定的均匀旋转运动。
步进电机均匀细分控制时相电流的通用计算公式为
式中Im为电机的额定电流，θ为A，B两相的合成磁场矢量与A相磁场矢量的夹角，β为相邻两相绕组单独通电时产生的磁场矢量之间的夹角，即TA，TB之间的夹角，它一般与步进电机的类型及相数有关。对于三相反应式步进电机有β=2π/3，则式（2）可写为
对于两相双极型混合式步进电机有β=π/2，则（2）可写为
虽然公式（2）从理论上推导出了步进电机均匀细分时相电流的变化规律，但该公式在推导过程中,假设步进电机中的相电流与磁场幅值之间成线性关系。然而实际上,步进电机中的相电流与磁场幅值是非线性关系关系的,而且还存在磁滞现象等。因而在使用时必须对式(2)进行修正。
作者单位：佛山科学技术学院 机电及自动化工程系，广东 佛山 528000
参考文献：
［1］ 徐杜，蒋永平，周韶勇，等.全数字式步进电机连续细分方法与实现［J］.微特电机，1997，（2）：25～29.
［2］ 王宗培.步进电动机及其控制系统［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1984.4～5.
［3］ 周尊源，S M欧文斯.正弦波细分步进电机微步驱动器［J］.微特电机，1997，（5）：29～37.
［4］ 范正翘，刘进，程胜.单片机控制的步进电机综合微步距驱动系统［J］.微特电机，1996，（3）：30～31.
［5］ 陈璧理.步进电动机及其应用［M］.上海：上海科学技术出版社，1983.24～37.
［6］ 钱昱明，候惠芳.步进电机可变细分SPWM运行方法［J］.微特电机，1995，（5）：27～29.
［7］ 杨晨光，周永安.用8098单片机控制的步进电机驱动源［J］.微特电机， 1995，（4）：32～33.
［8］ 赵世强，齐才.步进电机恒频脉冲调宽细分驱动电路［J］.微电机，1994，（3）：49～51.
［9］ 刘强，熊正鹏，郑莹娜.步进电机各相同频调制斩波驱动电源［J］.微特电机，1994，（1）：30～33.
［10］ 罗东辉，陆培庆，江胜.步进电机高精度细分驱动器的研究［J］.微特电机，1993，（1）：28～30.
［11］ 程树康.步进电机细分控制电流的定量描述［J］.电工电能新技术，1990，（3）：25～27.
［12］ 钟仁人.步距角任意细分的步进电机电流波形的讨论［J］.微特电机，1996，（3）：21～23.
［13］ 冯志华.步进电机运行精度分析及细分电路的合理使用［J］.微电机，1995，（4）：47～49.
沪公网安备31010802001143号
