脈寬調制_PWM_實現步進電機的細分驅動技術

1、脈寬調制（PWM）實現步進電機的細分驅動技術時念科 吳美蓮（山東工貿職業(yè)學院 籌備處 山東 鄒城 273500）摘 要： 步進電機作為一種控制電機，其控制精度（分辨率）取決于步距角的大小，單純地靠機械手段降低其步距角是有限的。常采用細分驅動技術。著重介紹脈寬調制（PWM）實現的步進電機細分驅動技術，該技術不僅可以提高步進電機的分辨率，還可以克服步進電機在低速時易出現的低頻振動現象。關鍵詞： 步進電機；步距角；矩角特性；脈寬調制（PWM）；細分驅動中圖分類號：TP275 文獻標識碼：A 文章編號：16717597（2011）0910039010 前言步進電機作為控制電機，在機電一體化系統(tǒng)的執(zhí)行裝

2、置中有獨特的應用，該電機的控制精度（分辨率）取決于其步距角的大小，步距角越小，分辨率也越高。由于步距角=3600/KMZ，（其中K為供電方式，三拍供電：K=1；六拍供電：K=2；M為定子相數；Z為轉子齒數）。受機械加工技術的限制，定子的相數和轉子的齒數都是有限的，所以步進電機的步距角就不可能無限小，一般為幾分到幾十度。另外，步進電機在低速運轉時易出現低頻振動現象，其振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，共振時易造成設備損壞等嚴重情況，并伴有刺耳的嘯叫聲。為改善步進電機的運行質量和提高分辨率，常采用在電機上加阻尼器或在驅動器上采用細分技術，本文就步進電機的細分驅動技術作簡單介紹。1 步進電機的細分

3、驅動技術原理步進電機細分驅動控制就是通過脈寬調制（PWM），對步進電機的驅動脈沖進行細分，將一個脈沖驅動信號細分為若干個小的脈沖，這樣各相繞組中電流就按設定的規(guī)律階梯上升和下降，從而獲得相電流從最小到最大的多個中間穩(wěn)定狀態(tài)，各相的合成磁場也就有多個穩(wěn)定的中間狀態(tài)，轉子就按這些中間狀態(tài)以微步距轉動。1.1 首先介紹步進電機的靜態(tài)特性距角特性靜態(tài)特性是指步進電機繞組電流為恒定值，轉子靜止不轉時表現出的機械特性，也叫矩角特性?？蛰d時，當且僅當某相通電并保持，此時，轉子相應的齒與該相定子對齊，這時轉子不輸出電磁轉矩。但如果此時轉子承受一負載轉矩，在負載轉矩的作用下，轉子的齒和定子的相之間就會偏轉一個角

4、度，這個偏轉角叫失調角，轉子負載轉矩越大，失調角就越大，此時，步進電機就會產生一個電磁轉矩與這一負載轉矩抗衡，以求達到新的平衡。所以，矩角特性就是在單位脈沖、電流均不變的情況下，步進電動機靜轉矩和轉子失調角的關系，步進電動機靜轉矩和轉子失調角的關系曲線叫矩角特性曲線。在某一通電方式下各相矩角特性總和稱為矩角特性族，通常矩角特性族的每一條曲線依次錯開，單三拍供電時相位差是s=2/m，六拍供電時s=/m，由以上分析可知，要使步進電機轉子轉過一個步距角，矩角特性族相臨兩相相位差必須大于電步距角。兩曲線的交點所表示的轉矩就是步進電動機的最大啟動轉矩。只要負載轉矩小于該轉矩，電動機就可以啟動。如果電動機

5、相數增加，步距角就減小，兩條曲線的交點對應的啟動轉矩就增大，要求的啟動轉矩也就相應大。1.2 步進電動機的動態(tài)特性大家知道，電動機的輸出轉矩與繞組電流有關，步進電動機控制電流的增加與轉速的升高需要一個過渡時間，這是步進電動機的性質所決定的，動態(tài)特性就是研究這個過渡時間多電動機運行的影響。步進電動機一般用于開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉現象，停止時轉速過高易出現過沖現象，所以，要保證步進電動機的控制精度，就必須處理好其升、降速的問題。如果控制脈沖的時間間隔大于步進電動機的過渡時間，電動機呈步進運行狀態(tài)。當控制脈沖的時間間隔適當小于電動機的過渡時間，在A相通電狀態(tài)下，其轉子還沒有

6、減速到穩(wěn)定平衡點以前，A相就斷電同時B相通電，則轉子將繼續(xù)按原方向轉動，這種狀態(tài)稱為步進電動機的連續(xù)運行狀態(tài)。但如果控制脈沖的時間間隔遠小于電動機的過渡時間，則電動機會出現丟步或堵轉現象，步進電動機失去運行工作能力。2 脈寬調制（PWM）原理脈寬調制（PWM）細分驅動是利用大功率晶體管的開關特性對固定的直流電壓進行調制。通過對晶體管的基極的觸發(fā)控制，使晶體管的集電極和發(fā)射極之間按一定的頻率“接通”（飽和導通）和“斷開”（關斷截止），并根據需要改變一個周期內”“接通”和“斷開”時間長短，從而改變電壓的“占空比”，也就是改變脈沖的寬度。脈沖寬度的改變也就是電動機兩端的平均電壓發(fā)生改變，進而實現調速

7、。脈寬調制（PWM）控制原理：控制可控開關按一定的時間間隔重復地接通和斷開。當開關接通時，電路接通，供電電源通過開關施加到電動機兩端；當開關斷開時，中斷了供電電源，電動機兩端電壓是零。在開關一次接通和斷開的時間周期內，電動機兩端的平均電壓等于這兩個電壓的平均值。從圖中可以看出，只要改變開關在一個周期內接通或斷開的時間，即可改變脈沖寬度，從而改變電動機兩端的電壓以調整速度。亦即脈寬調制。步進電動機細分驅動控制的關鍵是用什么樣的細分電流波形來控制步進電動機各相繞組中的電流，步進電機細分控制的硬件一般采用DSP芯片的PWM口來實現實現，例如要實現二相四拍的8倍細分，其實現原理框圖如下：上圖中8路PW

8、M輸出被接口驅動放大器放大后，分別用于驅動8各MOS管，其中二/四相步進電動機的AA被接在一路。電流的細分是通過加在電動機兩端的電壓細分實現的，而電壓的細分是通過脈寬調制（PWM）實現的，也就是設定一定的“占空比”。由上圖的控制過程知，當Q1Q4高電平，Q2Q3低電平時是A相電流。當Q1Q4低電平，Q2Q3高電平時是A相電流。BB相電流的接法與此相同。對于上述的硬件實現方案，DSP芯片的控制程序也很容易實現，只要算出電流分配系數，而后再換算到電壓占空比就可實現。3 結束語本文從理論上對步進電機的細分驅動控制作了簡單的闡述，此方法既能降低步進電動機低頻運行時的振動和噪音，又能方便地細分步進電動機的步距角，提高了步進電動機的控制精度。參考文獻：1趙先仲主編，機電一體化系統(tǒng)，北京：高等教育出版社