摘要：闡述了步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理，介紹了單片機(jī)控制的放大型、斬波式、脈寬調(diào)制式等步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)和控制原理，指出了各種驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用場(chǎng)合和對(duì)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的相電流控制策略
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；細(xì)分驅(qū)動(dòng)；放大型；斬波式；脈寬調(diào)制式
步進(jìn)電機(jī)作為一種電脈沖——角位移的轉(zhuǎn)換元件，由于具有價(jià)格低廉、易于控制、無(wú)積累誤差和計(jì)算機(jī)接口方便等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械、儀表、工業(yè)控制等領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。但是由于受制造工藝的影響，步進(jìn)電機(jī)的步距角一般較大，而且還存在低頻振動(dòng)，在低頻時(shí)有明顯的“步進(jìn)”感［1］。這些缺點(diǎn)使步進(jìn)電機(jī)一般只能應(yīng)用在一些要求較低的場(chǎng)合。
步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合使用性能的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。1975年美國(guó)學(xué)者T.R. Fredriksen首次在美國(guó)增量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及器件年會(huì)上提出了步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分的控制方法［2］。在其后的二十多年里，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了很大的發(fā)展，并在實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。實(shí)踐證明，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等［1，3，4］。
1 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理［5］
步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是靠給步進(jìn)電機(jī)的各相勵(lì)磁繞組輪流通以電流,實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)合成方向的變化來(lái)使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的。圖1是三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的磁場(chǎng)矢量圖。圖中的矢量TA，TB，TC為步進(jìn)電機(jī)A，B，C三相勵(lì)磁繞組分別通電時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)矢量,TAB，TBC，TCA為步進(jìn)電機(jī)中AB，BC，CA兩相同時(shí)通電產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)矢量。從圖1a中可以看出，當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)的A，B，C三相輪流通電時(shí),步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部磁場(chǎng)從TA變化到TB再變化到TC，即磁場(chǎng)產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)。一般情況下,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部磁場(chǎng)變化一周(360°角)時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距,因此,步進(jìn)電機(jī)的步距角θB可表示為
式中，Nr為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)；θM為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)兩相鄰穩(wěn)定磁場(chǎng)之間的夾角。
圖1 三相步進(jìn)電機(jī)磁場(chǎng)矢量圖
θM與電機(jī)的相數(shù)(m)和電機(jī)的運(yùn)行拍數(shù)有關(guān)。例如在圖1a中，電機(jī)以單三拍方式運(yùn)行，θM=120°；在圖1b中，電機(jī)以三相六拍方式運(yùn)行，θM=60°，和單三拍方式相比，θM和θB都減小了一倍，實(shí)現(xiàn)了步距角的二細(xì)分。但是在通常的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路中,由于通過(guò)各相繞組的電流是個(gè)開(kāi)關(guān)量，即繞組中的電流只有零和某一額定值兩種狀態(tài)，相應(yīng)的各相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是一個(gè)開(kāi)關(guān)量，只能通過(guò)各相的通電組合來(lái)減小θM和θB，這樣可達(dá)到的細(xì)分?jǐn)?shù)很有限。以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例,最多只能實(shí)現(xiàn)二細(xì)分，對(duì)于相數(shù)較多的步進(jìn)電機(jī)可達(dá)到的細(xì)分?jǐn)?shù)稍大一些，但也很有限。因此要使可達(dá)到的細(xì)分?jǐn)?shù)較大,就必須能控制步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組中的電流,使其按階梯上升或下降,即在零到最大相電流之間能有多個(gè)穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)，相應(yīng)的磁場(chǎng)矢量幅值也就存在多個(gè)中間狀態(tài)，這樣相鄰兩相或多相的合成磁場(chǎng)的方向也將有多個(gè)穩(wěn)定的中間狀態(tài)。圖2給出了三相步進(jìn)電機(jī)八細(xì)分時(shí)的各相電流狀態(tài)。由于各相電流是以1/4的步距上升或下降的,在圖1a中的TA，TB中間又插入了七個(gè)穩(wěn)定的中間狀態(tài)，原來(lái)一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度θB將由八步完成，實(shí)現(xiàn)了步距角的八細(xì)分。由此可見(jiàn)，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵在于細(xì)分步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組中的電流。
圖2 三相步進(jìn)電機(jī)八細(xì)分時(shí)的各相電流狀態(tài)圖
2 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路［1，6～10］
為了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的相電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到細(xì)分步進(jìn)電機(jī)步距角的目的，人們?cè)O(shè)計(jì)了很多種步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。最初，對(duì)電機(jī)相電流的控制是由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每一相繞組的相電流用n個(gè)晶體管構(gòu)成n個(gè)并聯(lián)回路來(lái)控制,靠晶體管導(dǎo)通數(shù)的組合來(lái)控制相電流。這種細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路線路復(fù)雜,體積大,成本高,而且電路一旦制造出來(lái)就難以改變其細(xì)分?jǐn)?shù),缺乏柔性,因此在目前的實(shí)際應(yīng)用中已很少采用這種方法。
隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展， 特別是單片計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)， 為步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)帶來(lái)了便利。目前，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路大多數(shù)都采用單片微機(jī)控制，它們的構(gòu)成框圖如圖3所示。單片機(jī)根據(jù)要求的步距角計(jì)算出各項(xiàng)繞組中通過(guò)的電流值，并輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)中，由D/A把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓，經(jīng)過(guò)環(huán)形分配器加到各相的功放電路上，控制功放電路給各相繞組通以相應(yīng)的電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分。
圖3 單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)框圖
單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)末級(jí)功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開(kāi)關(guān)型兩種。放大型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中末級(jí)功放管的輸出電流直接受單片機(jī)輸出的控制電壓控制，電路較簡(jiǎn)單，電流的控制精度也較高，但是由于末級(jí)功放管工作在放大狀態(tài)，使功放管上的功耗較大，發(fā)熱嚴(yán)重，容易引起晶體管的溫漂，影響驅(qū)動(dòng)電路的性能。甚至還可能由于晶體管的熱擊穿，使電路不能正常工作。因此該驅(qū)動(dòng)電路一般應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)電流較小、控制精度較高、散熱情況較好的場(chǎng)合。
開(kāi)關(guān)型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中的末級(jí)功放管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而使得晶體管上的功耗大大降低，克服了放大型細(xì)分電路中晶體管發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題。但電路較復(fù)雜，輸出的電流有一定的波紋。因此該驅(qū)動(dòng)電路一般用于輸出力矩較大的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。隨著大輸出力矩步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)型細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路近年來(lái)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。
目前，最常用的開(kāi)關(guān)型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路有斬波式和脈寬調(diào)制（PWM）式兩種。斬波式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的基本工作原理是對(duì)電機(jī)繞組中的電流進(jìn)行檢測(cè)，和D/A輸出的控制電壓進(jìn)行比較，若檢測(cè)出的電流值大于控制電壓，電路將使功放管截止，反之，使功放管導(dǎo)通。這樣，D/A輸出不同的控制電壓，繞組中將流過(guò)不同的電流值。脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路是把D/A輸出的控制電壓加在脈寬調(diào)制電路的輸入端，脈寬調(diào)制電路將輸入的控制電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)脈沖寬度的矩形波,通過(guò)對(duì)功放管通斷時(shí)間的控制, 改變輸出到電機(jī)繞組上的平均電流。由于電機(jī)繞組是一個(gè)感性負(fù)載，對(duì)電流有一定的濾波作用，而且脈寬調(diào)制電路的調(diào)制頻率較高，一般大于20 kHz，因此,雖然是斷續(xù)通電，但電機(jī)繞組中的電流還是較平穩(wěn)的。和斬波式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路相比，脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的控制精度高、工作頻率穩(wěn)定，但線路較復(fù)雜。因此，脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路多用于綜合驅(qū)動(dòng)性能要求較高的場(chǎng)合。
脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵是脈寬調(diào)制,它的作用是將給定的電壓信號(hào)調(diào)制成具有相應(yīng)脈沖寬度的矩形波。目前脈寬調(diào)制電路有模擬和數(shù)字之分，本文以模擬脈寬調(diào)制電路來(lái)說(shuō)明脈寬調(diào)制的原理。圖4為脈寬調(diào)制電路的原理圖和波形圖，鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生周期為T(mén)的鋸齒波信號(hào)Uw，加在比較器的反向輸入端，控制電壓Ug加在比較器的正相輸入端，在t1期間，Ug＞Uw，比較器的輸出為高電平，在t2期間，Ug＜Uw，比較器的輸出為低電平。由波形圖可以看出，t1的寬度取決于控制電壓Ug的大小，Ug越大，t1越大，相應(yīng)的輸出脈沖寬度也越寬。只要鋸齒波的線性很好，則輸出的脈沖寬度和控制電壓Ug將成很好的線性關(guān)系。輸出脈沖串的周期等于鋸齒波的周期T。
圖4 脈寬調(diào)制電路的原理及波形圖
3 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分的控制策略［10～13］
由步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分原理可知，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制從本質(zhì)上講是通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組中電流的控制,使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)按某種要求變化，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分。最初的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)只是對(duì)電機(jī)的繞組電流加以簡(jiǎn)單地控制，如控制電流均勻上升、下降等，顯然，這樣簡(jiǎn)單控制的結(jié)果將使細(xì)分之后的步距角很不均勻。隨著步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，如何通過(guò)改進(jìn)電機(jī)相電流的控制策略來(lái)增加細(xì)分的均勻性，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性，減小運(yùn)動(dòng)噪聲及振動(dòng)等越來(lái)越受到人們的重視，并取得了很大進(jìn)展。有關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于不同類(lèi)型和相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)采取不同的電流控制策略。例如有關(guān)資料指出，對(duì)于兩相雙極型混合式步進(jìn)電機(jī)，采用正余弦形的驅(qū)動(dòng)電流較為理想，而對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般采用諧波較少的階梯型驅(qū)動(dòng)電流較為理想。
為了使步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)后力矩恒定而微步距均勻，近年來(lái)又提出了步進(jìn)電機(jī)的恒力矩均勻細(xì)分的相電流控制策略。一般情況下，電機(jī)內(nèi)部合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小,而相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。恒力矩均勻細(xì)分控制就是通過(guò)合理地控制步進(jìn)電機(jī)的相電流，使電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)在空間作幅值恒定的均勻旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
步進(jìn)電機(jī)均勻細(xì)分控制時(shí)相電流的通用計(jì)算公式為
式中Im為電機(jī)的額定電流，θ為A，B兩相的合成磁場(chǎng)矢量與A相磁場(chǎng)矢量的夾角，β為相鄰兩相繞組單獨(dú)通電時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)矢量之間的夾角，即TA，TB之間的夾角，它一般與步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型及相數(shù)有關(guān)。對(duì)于三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有β=2π/3，則式（2）可寫(xiě)為
對(duì)于兩相雙極型混合式步進(jìn)電機(jī)有β=π/2，則（2）可寫(xiě)為
雖然公式（2）從理論上推導(dǎo)出了步進(jìn)電機(jī)均勻細(xì)分時(shí)相電流的變化規(guī)律，但該公式在推導(dǎo)過(guò)程中,假設(shè)步進(jìn)電機(jī)中的相電流與磁場(chǎng)幅值之間成線性關(guān)系。然而實(shí)際上,步進(jìn)電機(jī)中的相電流與磁場(chǎng)幅值是非線性關(guān)系關(guān)系的,而且還存在磁滯現(xiàn)象等。因而在使用時(shí)必須對(duì)式(2)進(jìn)行修正。
作者單位：佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電及自動(dòng)化工程系，廣東 佛山 528000
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