基于細分控制的步進電機驅動器的設計

1、第卷第期年月淮陰師范學院學報（自然科學版）（）暢暢基于細分控制原理的步進電機通用驅動器設計馬耀家，黃建（北京航空航天大學自動化學院，北京）摘要：闡述了細分控制原理，介紹了一種基于細分控制原理的步進電機通用驅動器并以步進電機為負載，用實際運行試驗驗證設計的可行性，得到比較滿意的結果關鍵詞：細分；步進電機；驅動器設計中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（）收稿日期：作者簡介：馬耀家（），男，青海西寧人，碩士研究生，研究方向為電力電子技術及電機控制引言步進電機是一種將數(shù)字式電脈沖信號轉換成機械位移（角位移或線位移）的機電執(zhí)行元件，在機電控制應用中，必須與相應的電子驅動電路配合使用其性能不僅取決于步進電

2、動機本身，很大程度上還取決于驅動器的性能細分控制技術可以實現(xiàn)步進電機恒轉矩均勻控制，從而改進其性能位微控制器在脈沖信號引起的外部中斷作用下分別輸出三路二進制數(shù)字信號這三路信號代表互差度相位的階梯狀近似正弦波每一個外部中斷產生一級階梯波電壓信號，該電壓信號二進制數(shù)值等于同相位下相應相的正弦波幅值該三相階梯波通過位電壓型數(shù)模轉換電路，輸出三相模擬正弦波參考電壓波形、參考信號與實際電壓反饋值信號滯環(huán)比較之后，得到斬波信號，輸入到三相全橋驅動芯片，產生驅動電流驅動步進電機，從而構成一個步進電動機的正弦波細分驅動器該驅動器具有體積小，結構簡單，運行功耗低等優(yōu)點該系統(tǒng)的細分數(shù)可以在微控制器運行程序中指定，

3、在細分到級細分數(shù)之間選擇本文介紹一種采用位微控制器實現(xiàn)步進電動機正弦波細分控制方案，采用公司的全橋驅動芯片，驅動全橋電流斬波電路，生成細分正弦電流驅動瓦到瓦功率范圍內的三相混合式步進電機在實際運行試驗中，采用型步進電機作為負載，驗證設計的可行性細分控制技術原理與電路設計步進電機的細分控制的基本思想是每次輸入脈沖時，不是將相繞組電流全部通入或切除，而是比較精確的控制各相勵磁繞組中電流的大小，使步進電機內部的合成磁場近似為均勻的圓形旋轉磁場，從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小因此，要想實現(xiàn)對步進

4、電機的恒轉矩均勻控制，必須合理控制電機繞組中的電流，使得合成磁場以很小的步距角轉動，而且每個進給脈沖所引起的合成磁場的角度變化要均勻，使得步進電機內部合成磁場近似為均勻的圓形旋轉磁場采用細分驅動技術與電流控制技術是步進電機驅動器發(fā)展的主要趨勢目前細分驅動多采用量化的階梯波、正弦波作為驅動電流波形本文中的細分角指驅動器控制下步進電機可以到達的最小的步距角，細分數(shù)指原來的步距角和細分角的倍數(shù)電路設計如圖圖硬件電路總體設計暢三相參考正弦波生成方案外部設備給出的步進電機驅動脈沖作為位微控制器的外部中斷信號，微處理器存儲有設定細分數(shù)下每一組三路階梯波分別對應的二進制數(shù)值大小每接到一個外部中斷信號，微控制

5、器查詢片上的存儲的數(shù)值表，得到一組三路二進制數(shù)字信號，分別送到三相對應的轉換器上帶有輸入輸出兩級鎖存器的轉換芯片依次接收到二進制數(shù)字信號，送入三相對應的輸入鎖存器待三相數(shù)字信號都鎖存之后，微控制器同時給出輸出命令，三路數(shù)模轉換芯片同時輸出三相正弦模擬參考圖三相參考正弦波生成程序流程電壓、，并將其保持在輸出鎖存器中至下一個中斷的到來下一個脈沖信號觸發(fā)外部，查詢存儲于微控制器的中的數(shù)值表，確定下一組二進制參考信號，繼續(xù)送入數(shù)模轉換電路產生三相參考信號如此不斷循環(huán)運行，按照數(shù)值表順序產生三相近似正弦的階梯波程序流程如圖暢橋驅動信號生成方案是美國公司生產的大功率用驅動集成電路，雙列直插引腳，高集成度六

6、路驅動，所需外圍組件少偏置電壓最大，輸出的最大正向峰值驅動電流為，反向峰值驅動電流為柵壓范圍開關時間（典型值）死區(qū)時間（典型值）具有過流關斷、欠壓封鎖功能，圖、兩相驅動信號生成電路圖相驅動信號生成電路的控制信號由三相比較電路生成電路的結構由運算放大器和電壓比較器組成，如圖所示，霍爾電流傳感器檢測步進電機、兩相繞組的電流，得到的電流信號進過采樣電阻生成反饋電壓信號，該兩相反饋信號又經過同相放大電路，從而與霍爾電流反饋電路隔離并放大，成為圖中信號和根據反應式步進電機電樞三相星形接發(fā)的特點知道，所以對、相反饋信號經過反相求和電路得到相反饋信號，如圖所示最后三相反饋信號、分別與參考電壓、比較，生成的斬

7、波信號經光耦隔離之后，得出、三個輸出信號，該三個信號經反相器，即得、三個反相信號這六個信號構成驅動電路的控制信號暢驅動部分的電路驅動部分的電路比較復雜，其原理圖如圖所示圖中、是自舉電容，為上橋臂功第期馬耀家等：基于細分控制原理的步進電機通用驅動器設計率管驅動的懸浮電源存儲能量，、的作用是防止上橋臂導通時的直流電壓加到的電源上而使器件損壞，因此、應有足夠的反向耐壓，當然由于與、與、與串聯(lián)，為了滿足主電路功率管開關頻率的要求，、應選快速恢復肖特二極管、是的門極驅動電阻，取值十到幾十歐和組成過流檢測電路，其中是過流取樣電阻，是作為分壓用的可調電阻，兩者在實際應用中用導線短路的、作為功率管的輸入信號端

8、，輸入、六個信號經發(fā)光二極管與電壓相連，暢電機驅動電路輸出六路驅動電壓信號，分別驅動六個開關管全橋斬波得到近似為三相正弦波的驅動電流、驅動三相混合式步進電機試驗中采用三相混合式步進電機作為負載步進電機參數(shù)如下：步距角：暢；溫升：；絕緣電阻：（）；環(huán)境溫度：；絕緣強度：；絕緣等級：；額定電壓：暢；額定電流：圖驅動電路原理圖實驗與結果在驅動器工作在細分，細分，細分下的三相反應式步進電機電樞電流波形的示波器截圖分別如圖、圖和圖 所示圖細分相電樞電流波形圖細分相電樞電流波形圖細分相電樞電流波形淮陰師范學院學報（自然科學版）第卷結論經過運行實驗，證明設計可行，得到的驅動電流符合預期要求實驗驗證細分數(shù)越大，細分角越小，電樞電流越接近正弦，電機運行越平穩(wěn)即合成磁場以很小的步距角轉動，近似為均勻的圓形旋轉磁場但是細分控制技術難以做到精確控制細分后的步進角，在細分數(shù)較大時（實驗中細分數(shù)大于）步進角難以準確控制因而細分驅動技術適用于要求電機平穩(wěn)運行的場合，而不適用于精確的步距控制場合參考文獻：王季秩，曲家騏執(zhí)行電動機北京：機械工業(yè)出版社，譚建成電機控制專用集成電