步進電機驅動器的關鍵技術研究

引 言

    步進電機是一種將電脈衝信號轉換為角位移的執行機構。其主要優點是有較高的定位精度，無位置累積誤差；特有的開環運行機制，與閉環控制系統相比降低了系統成本，提高了可靠性，在數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範圍。步進電機的性能在很大程度上取決於所用的驅動器，改善驅動器的性能，可以顯著地提高步進電機的性能，因此研製高性能的步進電機驅動器是一項普遍關注的課題。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/89513.htm

1 步進電機驅動控制系統概述
    通常情況下，步進電機驅動系統由3部分構成：
    ①控制電路。用於產生脈衝，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所示的脈衝信號分配和功率驅動電路組成。根據控制器輸入的脈衝和方向信號，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。控制信號經驅動器放大後驅動步進電機，帶動負載。

2 步進電機驅動方法的比較
2．1 恆電壓驅動方式
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體T處於飽和狀態，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，三極體截止，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，而產生很大的反電勢將T擊穿，在繞組的兩端並聯一個二極體D和電阻Rd，為繞組電流提供一個洩放迴路，也稱「續流迴路」。
    單電壓功率驅動電路的優點是電路結構簡單、元件少、成本低、可靠性高。但是由於串入電阻後，功耗加大，整個功率驅動電路的效率較低，僅適合於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分別為高低端的脈衝信號。在導通前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，而在前沿過後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，但是由於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複雜，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 恆電流斬波驅動方式
2．2．1 自激式恆電流斬波驅動
    圖4為自激式恆電流斬波驅動框圖。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，自激式恆電流斬波驅動可以將電機繞組的電流控制在某一恆定值。但由於斬波頻率是可變的，會使繞組激起很高的浪湧電壓，因而對控制電路產生很大的幹擾，容易產生振蕩，可靠性大大降低。

2．2．2 它激式恆電流斬波驅動
    為了解決自激式斬波頻率可變引起的浪湧電壓問題，可在D觸發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衝剛好介於D觸發器的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，也是該系統採用的驅動方法。細分驅動最主要的優點是步距角變小，解析度提高，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工作的機率。可以說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衝切換時，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由額定值逐級變為0。該方法的優點是控制較為簡單，在硬體上容易實現；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。當細分數很大、微步距角非常小時，滯后角變化的差值已大於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，那麼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，那麼同時改變兩相電流呢?即Ia、Ib以某一數學關係同時變化，保證變化過程中合成矢量幅值始終不變。基於此，本文建立一種「額定電流可調的等角度恆力矩細分」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由細分數決定)，其合成矢量始終為圓的半徑，即恆力距。
    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「額定電流可調的等角度恆力距」，理論上只要各相相電流能夠滿足以上的數學模型即可。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偏差，即各步步距角不等，細分也失去了意義。下面給出了基於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 系統設計框圖
    如圖8所示，控制板信號經過光耦隔離與單片機中斷口相連。

    單片機根據收到的脈衝信號進行脈衝信號分配，確定各相通電順序，並與CPLD裡面的D觸發器相連；同時根據用戶設定的電流值和細分數通過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，並把比較結果與CPLD裡面的D觸發器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觸發器為核心的控制邏輯，根據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。採用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的取值範圍為4～20 V。
3．2 細分關鍵技術方案
    「額定電流可調的等角度恆力矩細分」驅動方法的實質是恆流控制，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。該系統採用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。由於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，但幹擾比較大，準確性比較差；霍爾傳感器檢測準確，幹擾小，連接也不複雜，所以該驅動器採用霍爾傳感器。
    ③比較器解析度要高，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，以免引起浪湧，幹擾控制電路。
    本文採用Xilinx公司的CPLD晶片XC9572。以D觸發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(檢測到的電流大於設定電流)，D觸發器輸出為1，或門輸出高電平，關斷管子，電流變小；當檢測到電流小於設定電流時，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恆力矩細分」驅動方法，並基於該方法設計實現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步進電機低速振動大和噪聲大的缺點，電機在較大速度範圍內轉矩保持恆定，提高了控制精度，減小了發生共振的機率，具有很好的穩定性、可靠性和通用性，且結構簡單。

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