步進電機驅(qū)動器的關(guān)鍵技術(shù)研究

    步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。其主要優(yōu)點是有較高的定位精度，無位置累積誤差；特有的開環(huán)運行機制，與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比降低了系統(tǒng)成本，提高了可靠性，在數(shù)控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(chǎn)生共振，且輸出轉(zhuǎn)矩隨著步進電機的轉(zhuǎn)速升高而下降，這些缺點限制了步進電機的應(yīng)用范圍。步進電機的性能在很大程度上取決于所用的驅(qū)動器，改善驅(qū)動器的性能，可以顯著地提高步進電機的性能，因此研制高性能的步進電機驅(qū)動器是一項普遍關(guān)注的課題。

1 步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)概述
    通常情況下，步進電機驅(qū)動系統(tǒng)由3部分構(gòu)成：
    ①控制電路。用于產(chǎn)生脈沖，控制電機的速度和轉(zhuǎn)向。
    ②驅(qū)動電路。即本文的研究內(nèi)容，由圖1所示的脈沖信號分配和功率驅(qū)動電路組成。根據(jù)控制器輸入的脈沖和方向信號，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?？刂菩盘柦?jīng)驅(qū)動器放大后驅(qū)動步進電機，帶動負載。

2 步進電機驅(qū)動方法的比較
2．1 恒電壓驅(qū)動方式
2．1．1 單電壓驅(qū)動
    單電壓驅(qū)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管T處于飽和狀態(tài)，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，三極管截止，繞組無電流通過。

    為使通電時繞組電流迅速達到預設(shè)電流，串入電阻Rc；為防止關(guān)斷T時繞組電流變化率太大，而產(chǎn)生很大的反電勢將T擊穿，在繞組的兩端并聯(lián)一個二極管D和電阻Rd，為繞組電流提供一個泄放回路，也稱“續(xù)流回路”。
    單電壓功率驅(qū)動電路的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入電阻后，功耗加大，整個功率驅(qū)動電路的效率較低，僅適合于驅(qū)動小功率步進電機。
2．1．2 高低壓驅(qū)動
    為了使通電時繞組能迅速到達設(shè)定電流，關(guān)斷時繞組電流迅速衰減為零，同時又具有較高的效率，出現(xiàn)了高低壓驅(qū)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分別為高低端的脈沖信號。在導通前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。高低壓驅(qū)動可獲得較好的高頻特性，但是由于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復雜，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 恒電流斬波驅(qū)動方式
2．2．1 自激式恒電流斬波驅(qū)動
    圖4為自激式恒電流斬波驅(qū)動框圖。把步進電機繞組電流值轉(zhuǎn)化為一定比例的電壓，與D／A轉(zhuǎn)換器輸出的預設(shè)值進行比較，控制功率管的開關(guān)，從而達到控制繞組相電流的目的。從理論上講，自激式恒電流斬波驅(qū)動可以將電機繞組的電流控制在某一恒定值。但由于斬波頻率是可變的，會使繞組激起很高的浪涌電壓，因而對控制電路產(chǎn)生很大的干擾，容易產(chǎn)生振蕩，可靠性大大降低。

2．2．2 它激式恒電流斬波驅(qū)動
    為了解決自激式斬波頻率可變引起的浪涌電壓問題，可在D觸發(fā)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沖剛好介于D觸發(fā)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(fā)器時鐘頻率解決。
2．3 細分驅(qū)動方式
    這是本文討論的重點，也是該系統(tǒng)采用的驅(qū)動方法。細分驅(qū)動最主要的優(yōu)點是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機的定位精度、啟動性能和高頻輸出轉(zhuǎn)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(qū)工作的幾率?？梢哉f細分驅(qū)動技術(shù)是步進電動機驅(qū)動與控制技術(shù)的一個飛躍。
    細分驅(qū)動是指在每次脈沖切換時，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，電動機的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細分驅(qū)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(zhuǎn)子則需要n次才轉(zhuǎn)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?yōu)?。該方法的優(yōu)點是控制較為簡單，在硬件上容易實現(xiàn)；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(shù)很大、微步距角非常小時，滯后角變化的差值已大于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，那么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，那么同時改變兩相電流呢?即Ia、Ib以某一數(shù)學關(guān)系同時變化，保證變化過程中合成矢量幅值始終不變?；诖?，本文建立一種“額定電流可調(diào)的等角度恒力矩細分”驅(qū)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(shù)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(shù)決定)，其合成矢量始終為圓的半徑，即恒力距。
    等角度是指合成的力臂每次旋轉(zhuǎn)的角度一樣。額定電流可調(diào)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(qū)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(xiàn)“額定電流可調(diào)的等角度恒力距”，理論上只要各相相電流能夠滿足以上的數(shù)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(xiàn)偏差，即各步步距角不等，細分也失去了意義。下面給出了基于該驅(qū)動方法的驅(qū)動器的設(shè)計方案。

3 二相步進電機驅(qū)動器的總體設(shè)計方案
3．1 系統(tǒng)設(shè)計框圖
    如圖8所示，控制板信號經(jīng)過光耦隔離與單片機中斷口相連。

    單片機根據(jù)收到的脈沖信號進行脈沖信號分配，確定各相通電順序，并與CPLD里面的D觸發(fā)器相連；同時根據(jù)用戶設(shè)定的電流值和細分數(shù)通過SPI口與D／A轉(zhuǎn)換器AD5623通信，得到設(shè)定的電流值(實際上是電流對應(yīng)的電壓值)。
    AD5623輸出的值為期望的電流對應(yīng)的電壓值，它必須與從功率模塊檢測得到的電流對應(yīng)的電壓值進行比較，并把比較結(jié)果與CPLD里面的D觸發(fā)器CLR引腳相連。
    CPLD與電流、細分設(shè)定的撥碼開關(guān)相連，把得到的值通過SPI口傳給單片機；以D觸發(fā)器為核心的控制邏輯，根據(jù)單片機的各相通電順序和比較器MAX907的比較結(jié)果確定各功率管的開關(guān)。
   功率驅(qū)動模塊直接與電機相連，驅(qū)動電機。采用8個MOS管IRF740構(gòu)成2個H橋雙極型驅(qū)動電路。IRF740最高可承受400 V電壓和10 A電流，開關(guān)轉(zhuǎn)換時間不會超過51 ns，管子導通電壓Vgs的取值范圍為4～20 V。
3．2 細分關(guān)鍵技術(shù)方案
    “額定電流可調(diào)的等角度恒力矩細分”驅(qū)動方法的實質(zhì)是恒流控制，關(guān)鍵是電流的精確控制，必須同時滿足以下各個條件：

    ①D／A轉(zhuǎn)換器輸出的電流值必須與期望值相當接近，而且轉(zhuǎn)換速度要快。該系統(tǒng)采用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。由于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，但干擾比較大，準確性比較差；霍爾傳感器檢測準確，干擾小，連接也不復雜，所以該驅(qū)動器采用霍爾傳感器。
    ③比較器分辨率要高，轉(zhuǎn)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(yīng)非常靈敏。
    ④控制功率管開關(guān)的邏輯電路要有很高的實時性，保證相電流在設(shè)定電流上下做很小的波動，以免引起浪涌，干擾控制電路。
    本文采用Xilinx公司的CPLD芯片XC9572。以D觸發(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)果為低電平時(檢測到的電流大于設(shè)定電流)，D觸發(fā)器輸出為1，或門輸出高電平，關(guān)斷管子，電流變小；當檢測到電流小于設(shè)定電流時，管子導通，從而保證相電流在設(shè)定電流上下做很小的波動。

結(jié) 語
    本文建立了“額定電流可調(diào)的等角度恒力矩細分”驅(qū)動方法，并基于該方法設(shè)計實現(xiàn)了二相混合式步進電機驅(qū)動器，最高可達200細分，驅(qū)動電流從O．5 A／相到8 A／相可調(diào)，可驅(qū)動24系列到86系列的步進電機。實際應(yīng)用證明，該方法基本上克服了傳統(tǒng)步進電機低速振動大和噪聲大的缺點，電機在較大速度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩保持恒定，提高了控制精度，減小了發(fā)生共振的幾率，具有很好的穩(wěn)定性、可靠性和通用性，且結(jié)構(gòu)簡單。