（微電子學(xué)與固體電子學(xué)專(zhuān)業(yè)論文）基于pwm控制的多細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì).pdf

摘要 摘要 步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械角位移或者線位移的控制電機(jī)，它 能夠在不涉及復(fù)雜反饋環(huán)路的情況下實(shí)現(xiàn)良好的定位精度，并由于具有價(jià)格低 廉、易于控制、無(wú)積累誤差等優(yōu)點(diǎn)，在民用、工業(yè)用的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控定位系統(tǒng)中獲 得了廣泛的應(yīng)用，具有較高的實(shí)用價(jià)值。 在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)中，細(xì)分驅(qū)動(dòng)具有良好的控制效果，而將步進(jìn)電機(jī) 細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制電路集成在一塊芯片中，可以使得步進(jìn)電機(jī)在實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)，得 到優(yōu)良運(yùn)行性能的同時(shí)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)的組成更為簡(jiǎn)單，可靠性更高，控 制更為方便。本文在詳細(xì)論述了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款 基于p w m 控制的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)芯片。 本文首先介紹了步進(jìn)電機(jī)工作原理和p w m 控制技術(shù)，通過(guò)分析步進(jìn)電機(jī)的 各種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，從而提出了細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式，并指出了細(xì)分驅(qū)動(dòng)使電機(jī) 運(yùn)行更穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，在分析、比較幾種電流控制型細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)的基 礎(chǔ)上，提出了恒頻脈寬調(diào)制型的細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案，并分析了該方案快慢續(xù)流的優(yōu) 劣，進(jìn)而完成對(duì)二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主電路的具體設(shè)計(jì)，包括 高精度b a n d g a p 電路、高速d 觸發(fā)器、脈沖發(fā)生器及邏輯控制電路等子電路， 并且加入了過(guò)溫、欠壓及過(guò)流保護(hù)電路。實(shí)現(xiàn)了恒頻斬波、信號(hào)檢測(cè)、功率放 大、環(huán)形分配等功能。其中，由e p r o m 以及3 位非線性d a c 產(chǎn)生的擬正弦波 變化的階梯電平作為控制電機(jī)繞組電流的基準(zhǔn)，通過(guò)p w m 控制驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)通和 關(guān)斷，使電機(jī)繞組電流按正弦規(guī)律變化，從而實(shí)現(xiàn)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn) 矩8 細(xì)分驅(qū)動(dòng)。 通過(guò)仿真證明了設(shè)計(jì)方案的可行性和正確性，所設(shè)計(jì)的基于p w m 控制的步 進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制電路可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、運(yùn)行平穩(wěn)的預(yù)定目標(biāo)。 關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)p w mh 橋驅(qū)動(dòng) a b s t r a c t a b s t r a c t s t e p p i n gm o t o ri sak i n do fc o n t r o l l i n gm o t o r sw h i c h c a l lt r a n s f o r mt h ep u l s e s i g n a li n t om e c h a n i s t i ca n g u l a rd i s p l a c e m e n to rl i n e a rd i s p l a c e m e n t i tc a l la c h i e v ea p r e c i s el o c a t i o nw i t h o u tac o m p l i c a t e df e e d b a c kl o o p a l s o ，i ti sw i d e l yu s e di n e c o n o m i c a ld i g i t a ll o c a t i o ns y s t e mf o rc i v i l i a na n di n d u s t r yu s e ，弱i tc o s t sl e s s ，e a s y t oc o n t r o la n df r e eo fe r r o ra c c u m u l a t i o n i naw o r d ，i ti sh i g h l yp r a c t i c a l s i n c em i c r o s t e p p i n gd r i v eb e h a v e sb e t t e ri nc o n t r o l l i n ga m o n gd r i v et e c h n i q u e o fs t e p p i n gm o t o li n t e g r a t e dm i c r o s t e p p i n gd r i v e ro fs t e p p i n gm o t o rm a k e sd r i v e c i r c u i ts i m p l e ri ns t r u c t u r e ，h i g h e ri ns e c u r i t ya n dm o r ec o n v e n i e n ti nc o n t r o l l i n ga s w e l la st h em i c r o s t e p p i n gd r i v ei sr e a l i z e d 、析t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h et h e s i s e x p a t i a t e so nt h ep r i n c i p l eo fs t e p p i n gm o t o rm i c r o s t e p p i n gd r i v ea n ds c h e m e so u ta t w o - p h a s eh y b r i ds t e p p i n gm o t o rm i c r o s t e p p i n gd r i v e ri cb a s e do np w m i nt h i sp a p e r ，f i r s t l yt h ep r i n c i p l e so fs t e p p i n gm o t o ra n dt h et e c h n i q u eo fp w m c o n t r o l l i n ga r ea n a l y z e d ， a n dt h e nd i f f e r e n td r i v i n gm o d e sa r ei n t r o d u c e d b a s e do n t h i s ，m i c r o s t e p p i n gd r i v i n gm o d ea r ep u tf o r w a r d ，a n dl e a r n i n gf r o mt h ec u r r e n t l a g g i n g l o o pc o n t r o la n di n v a r i a b l es w i t c hf r e q u e n c yc o n t r o l ，f r e q u e n c y - f i x i n gp w m d r i v i n gm e t h o di sp u tf o r w a r d ，t h e r e f o r e ，t h em a i nc i r c u i to f2 - p h a s eh y b r i ds t e p p i n g m o t o rs y s t e mi sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gh i g ha c c u r a c yb a n d g a pc i r c u i t s h i g hs p e e d d f l i p f l o p 、p u l s eg e n e r a t o r 、l o g i cc i r c u i t sa n ds oo n , a n da l s oo v e r - t e m p e r a t u r e c i r c u i t s ，u v l oc i r c u i t s ，o v e r - c u r r e n tc i r c u i t sa r ea d d e d t h es y s t e mc a i lr e a l i z em a n y f u n c t i o n ss u c ha sf i x f r e q u e n c yp l u sw i d t hm o d u l a t i o n , c u r r e n ts a m p l i n g ，p o w e r m a g n i f y i n g ，r i n gd i s t r i b u t i o n ，p r o d u c i n gc o n t r o ls i g n a l ，a n d s oo n b a s e do nt h e p r i n c i p l ea n a l y s i so fs u b d i v i s i o nd r i v eo ft w o p h a s eh y b r i ds t e p p i n gm o t o r ，u s e st h e s i m u l a n ts i n u s o i dl a d d e rv o l t a g et h a tp r o d u c e dw i t he p r o ma n d3 - b i tn o n l i n e a r d a ca st h er e f e r e n c ec u r r e n to fw i n d i n go fs t e p p i n gm o t o r , m a k e st h ec u r r e n to f w i n d i n go fs t e p p i n gm o t o rt ov a r ya l s oa ss i n u s o i db yc o n t r o l l i n gt h eo no ro f f t i m eo f d r i v e rw i t hp w m ，a c h i e v e st h ec o n s t a n t - t o r q u e8s u b d i v i s i o nd r i v eo fs t e p p i n gm o t o r t h ed e s i g no ft h i si cw a sc o m p l e t e di na c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g nf l o wo fa s i c t h e t h e s i se x p a t i a t e so nt h em o d u l ec i r c u i to ft h ei ca n dp r e s e n t st h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ed e s i g nm e t h o da n dp r i n c i p l ea n a l y s i sw e r e p r o v e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n dt h em i c r o s t e p p i n gd r i v e ri co fs t e p p i n gm o t o r u a b s t r a c t b a s e do np w mi nt h et h e s i sc a nr e a c ht h et a r g e tt h a th a ss i m p l ec o n f i g u r a t i o n 、h i g h r e l i a b i l i t ya n ds m o o t ho p e r a t i o n k e yw o r d s ：s t e p p i n gm o t o rm i c r o s t e p p i n gd r i v e p w mh b r i d g ed r i v e r i l l 南開(kāi)大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)書(shū) 根據(jù)南開(kāi)大學(xué)關(guān)于研究生學(xué)位論文收藏和利用管理辦法，我校的博士、碩士學(xué)位獲 得者均須向南開(kāi)大學(xué)提交本人的學(xué)位論文紙質(zhì)本及相應(yīng)電子版。 本人完全了鋸南開(kāi)大學(xué)有關(guān)研究生學(xué)位論文收藏和利用的管理規(guī)定。南開(kāi)大學(xué)擁有在 著作權(quán)法規(guī)定范圍內(nèi)的學(xué)位論文使用權(quán)，即：( 1 ) 學(xué)位獲得者必須按規(guī)定提交學(xué)位論文( 包 括紙質(zhì)印刷本及電子版) ，學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印或其他復(fù)制手段保存研究生學(xué)位論文， 并編入南開(kāi)大學(xué)博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)；( 2 ) 為教學(xué)和科研目的，學(xué)校可以將公開(kāi) 的學(xué)位論文作為資料在圖書(shū)館等場(chǎng)所提供校內(nèi)師生閱讀，在校園網(wǎng)上提供論文目錄檢索、文 摘以及論文全文瀏覽、下載等免費(fèi)信息服務(wù)；( 3 ) 根據(jù)教育部有關(guān)規(guī)定，南開(kāi)大學(xué)向教育部 指定單位提交公開(kāi)的學(xué)位論文；( 4 ) 學(xué)位論文作者授權(quán)學(xué)校向中國(guó)科技信息研究所和中國(guó)學(xué) 術(shù)期刊( 光盤(pán)) 電子出版社提交規(guī)定范圍的學(xué)位論文及其電子版并收入相應(yīng)學(xué)位論文數(shù)據(jù)庫(kù)， 通過(guò)其相關(guān)網(wǎng)站對(duì)夕卜進(jìn)行信息服務(wù)。同時(shí)本人保留在其他媒體發(fā)表論文的權(quán)利。 非公開(kāi)學(xué)位論文，保密期限內(nèi)不向外提交和提供服務(wù)，解密后提交和服務(wù)同公開(kāi)論文。 論文電子版提交至校圖書(shū)館網(wǎng)站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承諾：本人的學(xué)位論文是在南開(kāi)大學(xué)學(xué)習(xí)期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過(guò)論文答辯； 提交的學(xué)位論文電子版與紙質(zhì)本論文的內(nèi)容一致，如因不同造成不良后果由本人自負(fù)。 本人同意遵守上述規(guī)定。本授權(quán)書(shū)簽署一式兩份，由研究生院和圖書(shū)館留存。 作者暨授權(quán)人簽字： 2 0 年月日 南開(kāi)大學(xué)研究生學(xué)位論文作者信息 論文題目 姓名學(xué)號(hào) 答辯日期年月日 論文類(lèi)別博士口學(xué)歷碩士口碩士專(zhuān)業(yè)學(xué)位口高校教師口 同等學(xué)力碩士口 院系所專(zhuān)業(yè) 聯(lián)系電話 e m a i l 通信地址( 郵編) ： 備注： 是否批準(zhǔn)為非公開(kāi)論文 注：本授權(quán)書(shū)適用我校授子的所有博士、碩士的學(xué)位論文。由作者填寫(xiě)( 一式兩份) 簽字后交校圖書(shū) 館，非公開(kāi)學(xué)位論文須附南開(kāi)大學(xué)研究生申請(qǐng)非公開(kāi)學(xué)位論文審批表。 南開(kāi)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進(jìn)行 研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文 的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開(kāi)發(fā)表或者沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表的 作品的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集 體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任 由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 年月日 第一章緒論 第一章緒論 步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械角位移或者線位移的控制電機(jī)，與 其他類(lèi)型電機(jī)相比具有易于開(kāi)環(huán)精確控制、無(wú)積累誤差等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域中 獲得了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是七十年代中期發(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)n 1 。它是通過(guò)控制各相繞組 中的電流，使它們按一定的規(guī)律上升或下降，即在零電流到最大電流之間形成 多個(gè)穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)，相應(yīng)的合成磁場(chǎng)矢量的方向也將存在多個(gè)穩(wěn)定的中 間狀態(tài)，且按細(xì)分步距旋轉(zhuǎn)。其中合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力 矩的大小，合成磁場(chǎng)矢量的方向決定了細(xì)分后步距角的大小。細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn) 一步提高了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角精度和運(yùn)行平穩(wěn)性。 第一節(jié)步進(jìn)電機(jī)概述 基于電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為自動(dòng)化領(lǐng)域的關(guān)鍵部分，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)當(dāng)中起 著重要的作用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是集成電路、電力電子器件、 自動(dòng)化控制理論等方面的進(jìn)展，電機(jī)在其實(shí)際應(yīng)用中已由過(guò)去簡(jiǎn)單地控制轉(zhuǎn)動(dòng) 停止、以提供動(dòng)力為目的應(yīng)用上升到對(duì)速度、加速度、位移和轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行精確 控制階段，以便使被驅(qū)動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確符合預(yù)想的要求。 步進(jìn)電機(jī)正好能夠很好地符合這種需求，它是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為 機(jī)械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換控制電機(jī)。通常所說(shuō)的步進(jìn)電機(jī)一般是指機(jī) 電一體化設(shè)備包括步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接受到一個(gè)脈沖之 后就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度即步距角 2 1 如圖1 1 所示。 i _ 圖1 1 步迸電機(jī)的功用 第一章緒論 步進(jìn)電機(jī)不像其它電機(jī)那樣連續(xù)旋轉(zhuǎn)而是以一定的步距角一步一步做增量 運(yùn)動(dòng)因此而得名。所以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移，達(dá)到 精確定位的目的；同時(shí)也可以通過(guò)控制脈沖的頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和 加速度，達(dá)到調(diào)速的目的。除此之外步進(jìn)電機(jī)還具有以下一些優(yōu)點(diǎn)佗3 1 1 4 1 ： ( 1 ) 無(wú)刷：步進(jìn)電機(jī)是無(wú)刷結(jié)構(gòu)電機(jī)，與帶有換向器和電刷等易損部件的 傳統(tǒng)有刷電機(jī)相比而言可靠性更高； ( 2 ) 與負(fù)載無(wú)關(guān)：不超載時(shí)步進(jìn)電機(jī)能夠按照設(shè)定的速度運(yùn)行； ( 3 ) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快：易于啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)； ( 4 ) 保持轉(zhuǎn)矩：停止時(shí)能夠自鎖； ( 5 ) 無(wú)累積誤差：雖然步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步的角位移與標(biāo)稱的步距角具有 一定的誤差( 3 5 ) ，但是轉(zhuǎn)動(dòng)一周后累積的誤差和為零； ( 6 ) 步距角與環(huán)境無(wú)關(guān)：步迸電機(jī)的固有步距角是由本身構(gòu)造決定的，與 溫度、電壓、電流等使用環(huán)境無(wú)關(guān)； ( 7 ) 易于控制：只需控制脈沖的頻率和個(gè)數(shù)，即可達(dá)到定位、調(diào)速目的； ( 8 ) 價(jià)格低廉：步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于同樣用于定位領(lǐng)域交、直流伺服電機(jī)而言 具有較高的性價(jià)比。 正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，使得由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成的開(kāi)環(huán)數(shù)控定位 系統(tǒng)，既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定可靠地工作。與同 樣應(yīng)用于定位領(lǐng)域的交、直流伺服電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)伺服系統(tǒng)相比較而言，主要優(yōu) 勢(shì)在于性價(jià)比高和驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單，但是性能上卻具有以下明顯的不足之 1 “ ： ( 1 ) 低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲都比較大； ( 2 ) 輸出力矩隨著轉(zhuǎn)動(dòng)速度的升高而降低； ( 3 ) 啟動(dòng)頻率不能太高，否則會(huì)堵轉(zhuǎn)并伴隨有呼嘯聲； ( 4 ) 速度突變較大時(shí)存在丟步和過(guò)沖現(xiàn)象； ( 5 ) 最高運(yùn)動(dòng)速度較低，且高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸出力矩小； ( 6 ) 開(kāi)環(huán)控制，不能保證實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與設(shè)想的完全一致。 雖然步進(jìn)電機(jī)有這些缺點(diǎn)，但是并不影響其在經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控裝置上的使用。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)主要有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步 進(jìn)電機(jī)。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7 5 度或 1 5 度，振動(dòng)和噪音??；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn) 角一般為1 5 度，但噪聲和振動(dòng)都很大；混合式步進(jìn)電機(jī)混合了永磁式和反應(yīng)式 2 第一章緒論 的優(yōu)點(diǎn)，步距角小、轉(zhuǎn)矩大且振動(dòng)、噪音小，它主要又分為兩相和五相：兩相 步距角一般為1 8 度而五相步距角一般為0 7 2 度。 第二節(jié)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)概述 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展十分迅速。在我國(guó)步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用起步較早，但 驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展相對(duì)滯后，成為制約步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用與發(fā)展的主要因素。最早應(yīng) 用的單電壓串電阻等驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)電路中分立元件多，可靠性差，各廠家的 技術(shù)規(guī)范和生產(chǎn)工藝等難以達(dá)到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，已逐漸淘汰。 近代步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的主流是“電流型 ，常規(guī)的控制技術(shù)僅對(duì)繞組的 電流進(jìn)行通斷控制，在轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定的條件下，增加相數(shù)才能提高電動(dòng)機(jī)的分 辨率。運(yùn)用電流波形控制技術(shù)可方便地實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，從2 0 世紀(jì)7 0 年代開(kāi)始研究，逐步發(fā)展到9 0 年代完全成熟。 我國(guó)對(duì)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究，起步時(shí)間與國(guó)外相差無(wú)幾。細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的廣泛 應(yīng)用，使得電動(dòng)機(jī)的相數(shù)不受步距角的限制，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來(lái)方便。 目前在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)上，采用斬波恒流控制、正弦脈寬調(diào)制和細(xì)分 技術(shù)以及最佳升降頻控制，大大提高步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行快速性和運(yùn)轉(zhuǎn)精度，使步進(jìn) 電機(jī)在中、小功率應(yīng)用領(lǐng)域向高速且精密化的方向發(fā)展。在驅(qū)動(dòng)電路中，目前 較普遍采用的功率開(kāi)關(guān)管是功率場(chǎng)效應(yīng)管( m o s f e t ) ，與早先采用的大功率晶體 管( c t r ) 相比有很多優(yōu)點(diǎn)。性能更加優(yōu)越的絕緣柵極晶體管( i g b t ) 也已應(yīng)用于 高速型及較大功率的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中。而把i g b t 驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路都集 成在一起的智能i g b t 模塊，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定及運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，目前 已開(kāi)始應(yīng)用于中、小功率的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)又稱為微步距驅(qū)動(dòng)。在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域中，常采用方波 脈沖控制來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)。這種控制方式給步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用帶來(lái)不 少弊病。因此，人們提出降低或減少脈沖工作的驅(qū)動(dòng)控制方法，最初出現(xiàn)的階 梯波脈沖細(xì)分控制，極大地改善了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，開(kāi)始由于細(xì)分驅(qū)動(dòng) 線路十分復(fù)雜，應(yīng)用得不多。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī) 的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)才引起了人們的關(guān)注。 步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流是按照工作方式的節(jié)拍輪流通電的。繞組通電的 過(guò)程非常簡(jiǎn)單，即通電一斷電反復(fù)進(jìn)行。我們知道，電磁力的大小與繞組通電電 流的大小有關(guān)。當(dāng)通電相的電流不是一次性上升到位，而斷電相的電流也不是 立即下降為0 時(shí)，它們所產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力，會(huì)使轉(zhuǎn)子有一個(gè)新的平衡位置，這 3 第一章緒論 個(gè)新的平衡位置在原來(lái)的步距角范圍內(nèi)。就是說(shuō)，如果繞組中電流的波形不再 是一個(gè)近似方波，而是一個(gè)分成n 個(gè)階梯的近似階梯波，則電流每上升或降低 一個(gè)階梯時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一小步。當(dāng)轉(zhuǎn)子按照這樣的規(guī)律轉(zhuǎn)過(guò)n 小步時(shí)，實(shí)際上 相當(dāng)于它轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。細(xì)分驅(qū)動(dòng)使得步距角更小了，可以大大提高對(duì)執(zhí)行 機(jī)構(gòu)的控制精度，同時(shí)也可以減小或消除振蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。目前，較為 先進(jìn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器大多采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式巧1 1 6 1 。 第三節(jié)國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì) 我國(guó)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究從1 9 5 8 年開(kāi)始，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在工業(yè)上應(yīng)用并獲得 發(fā)展始于1 9 7 0 年前后，1 9 8 0 年以后，永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因低成本爪極結(jié)構(gòu)，廣 泛應(yīng)用于對(duì)性能要求不高和體積限制不大的場(chǎng)合，而混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)成為辦 公自動(dòng)化和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用場(chǎng)合的主流，迅速發(fā)展形成規(guī)模生產(chǎn)，變磁阻型就 大部分被混合型取而代之。發(fā)展到此時(shí)我國(guó)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)，包括電 機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)技術(shù)在內(nèi)，都與國(guó)外產(chǎn)業(yè)的水平接近?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)是在永 磁感應(yīng)子式低速同步電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。二相混合式步進(jìn)電機(jī)是上世 紀(jì)6 0 年代的美國(guó)專(zhuān)利，7 0 年代初因應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外設(shè)，且專(zhuān)利保護(hù)的取消而 迅速發(fā)展。二相( 四相) 電動(dòng)機(jī)典型結(jié)構(gòu)是定子八個(gè)極，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為5 0 ，整步方 式工作時(shí)步距角為1 8 度。7 0 年代中期提出的五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，與二相 電動(dòng)機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上沒(méi)有太大的區(qū)別，主要是增加了相數(shù)，定子一般為1 0 個(gè)極， 最典型的轉(zhuǎn)子齒數(shù)仍為5 0 。早期的混合式步進(jìn)電機(jī)，在材料上應(yīng)用較多的是鋁 鎳鉆永磁體，后來(lái)發(fā)展到新的永磁材料，主要是欽鐵硼( n d f e b ) 材料的應(yīng)用，簡(jiǎn) 化了轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)1 7 1 。 功率或機(jī)座號(hào)相對(duì)較大的步迸電動(dòng)機(jī)，在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日前正受 到交流伺服電動(dòng)機(jī)的威脅，有被取代的趨勢(shì)。這主要因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)存在一些 弱點(diǎn)如存在明顯的振蕩區(qū)、帶慣量和過(guò)載能力小、快速性不足和效率低等。 對(duì)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制繞組也可以使用雙極性供電。為了簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電 路，將電機(jī)繞組采取雙線并繞，一相繞組分成二相，其中之一正向通電，另一 則反向通電，這樣可單極性供電而達(dá)到正、反向勵(lì)磁的目的。這種二相四繞組 電動(dòng)機(jī)有時(shí)也叫做四相電動(dòng)機(jī)。最簡(jiǎn)單的四相單極性驅(qū)動(dòng)電路，只要用四只功 率開(kāi)關(guān)管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但是繞組空間利用率不高，在同一時(shí)間只有一 半繞組通電起作用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件價(jià)格的降低，雙極性驅(qū) 4 第一章緒論 動(dòng)電路也可以實(shí)現(xiàn)，但成本亦增加較多。 對(duì)步進(jìn)電機(jī)及其控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究表明，步進(jìn)電機(jī)易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制和 微機(jī)控制，并且進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制就能實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)速控制或定位控制?，F(xiàn)代步進(jìn) 電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)已發(fā)展到閉環(huán)控制方式，構(gòu)成閉環(huán)失步檢測(cè)系統(tǒng)等。但是在這 個(gè)研究方向上，技術(shù)上一直沒(méi)有太大的突破，也還不成熟，還沒(méi)有得到很廣泛 的應(yīng)用。這將是以后步進(jìn)電機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)。而對(duì)于電機(jī)本體來(lái)講，它的發(fā) 展將依賴于新材料的應(yīng)用和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的最佳配合。 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移( 或線位移) 的機(jī)電元 件，它不能直接接到普通的交直流電源上工作，必須使用專(zhuān)用設(shè)備步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器兩部分構(gòu)成的，隨著新 材料、電機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)等的進(jìn)步， 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)取得了巨大的發(fā)展，在開(kāi)環(huán)高分辨率定位系統(tǒng)中占據(jù)了主導(dǎo)地位。 因此，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能例如運(yùn)行頻率、輸出力矩等，除受電機(jī)自身性能的 影響外，還直接受驅(qū)動(dòng)控制器的制約。圖1 2 表示常規(guī)開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系 統(tǒng)的基本組成。該系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)、脈沖發(fā)生器、脈沖分配器、功率放大器 以及直流功率電源等五個(gè)部分。步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)具有價(jià)格低、簡(jiǎn)單、可靠等 交直流伺服系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但由于它的運(yùn)行速度低、驅(qū)動(dòng)器效率低和發(fā)熱 量大等缺點(diǎn)，使它的使用范圍受到限制。針對(duì)存在的問(wèn)題，隨著現(xiàn)代電力電子技 術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器性能的提高提供了條件，出現(xiàn)了許多 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方式。 步進(jìn)電機(jī)各相繞組之間，定、轉(zhuǎn)子之間存在強(qiáng)耦合，電磁關(guān)系存在較嚴(yán)重 的非線性，但從驅(qū)動(dòng)電路角度來(lái)看，對(duì)一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的控制，就是按一定順序 向多相繞組通電，對(duì)各相電流的控制以產(chǎn)生必要的轉(zhuǎn)矩的問(wèn)題。因此，就步進(jìn) 電機(jī)控制而言，各相通電順序的產(chǎn)生和電流波形的控制是主要的問(wèn)題，其次是 一些保護(hù)問(wèn)題。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已形成一些相對(duì)固 定的驅(qū)動(dòng)方式。 第一章緒論 l ! j l _ l l 步進(jìn)電機(jī) 圖1 2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成 驅(qū)動(dòng)電路的集成化已成為一種趨勢(shì)。目前，已有多種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電 路芯片，它們大多集驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一體。國(guó)外已做成的小功率步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)用集 成電路驅(qū)動(dòng)芯片，廣泛應(yīng)用于小型儀器儀表、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、機(jī)器人等領(lǐng)域。 作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)元件，它使控制系統(tǒng)的體積減小，可靠性提高，特別是易 于與微處理器接口，對(duì)步進(jìn)電機(jī)作細(xì)分驅(qū)動(dòng)，使步進(jìn)電機(jī)的分辨率大大提高， 動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能顯著改善，并易于實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制。 采用電流控制技術(shù)以及細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，準(zhǔn)確有效地控制電機(jī)繞組電流，進(jìn) 一步提高步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行性能和對(duì)控制要求的適應(yīng)性，是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 發(fā)展的主要趨勢(shì)，同時(shí)，集成化、模塊化、低成本也是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)展的 必然趨勢(shì)。集成化、模塊化有利于提高驅(qū)動(dòng)器的可靠性和電磁兼容性，減小驅(qū) 動(dòng)器的體積，進(jìn)一步擴(kuò)大步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。 第四節(jié)本課題的研究意義和目的 目前國(guó)內(nèi)已有的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，一般采用高低壓驅(qū)動(dòng)方式或者調(diào)頻調(diào)壓 驅(qū)動(dòng)式，這些驅(qū)動(dòng)電路僅可實(shí)現(xiàn)基本步距的運(yùn)行，電路構(gòu)成復(fù)雜，而且多由分 立元件組成，可靠性不高，還存在運(yùn)行速度低、缺乏保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)效率低和發(fā) 熱損耗大等缺點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集成化的驅(qū)動(dòng)電路，但由于 我國(guó)在電子材料與元器件、系統(tǒng)集成技術(shù)等基礎(chǔ)工業(yè)水平和相關(guān)前沿領(lǐng)域與國(guó) 際水平差距較大，所以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片主要依靠進(jìn)口。而且，現(xiàn)有的許多步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，大多僅提供整步、半步控制選擇，步迸電機(jī)的運(yùn)行性能并沒(méi) 有太大的提高。與這類(lèi)驅(qū)動(dòng)方式相比，細(xì)分驅(qū)動(dòng)可使步進(jìn)電機(jī)獲得更小的步距 6 第一章緒論 角、更高的分辨率，且運(yùn)行更加平穩(wěn)，因此，細(xì)分驅(qū)動(dòng)具有更佳的控制效果。 本課題的研究針對(duì)現(xiàn)在較為常用的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，旨在進(jìn)行使步進(jìn)電機(jī) 優(yōu)化運(yùn)行的控制驅(qū)動(dòng)i c 的設(shè)計(jì)。 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)是一種十分流行的步進(jìn)電機(jī)，它既具有反應(yīng)式步進(jìn)電 機(jī)的高分辨率，每轉(zhuǎn)步數(shù)比較多的特點(diǎn)；又具有永磁式步進(jìn)電機(jī)的高效率，繞 組電感比較小的特點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一款基于p w m 控制， 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩細(xì)分驅(qū)動(dòng)的i c 芯片。 本課題所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)具備以下特點(diǎn)： ( 1 ) 具有較大范圍內(nèi)的輸出電流； ( 2 ) 具有細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式； ( 3 ) 內(nèi)部具有p w m 電流控制裝置； ( 4 ) 具有過(guò)熱保護(hù)等保護(hù)功能； ( 5 ) 使此電路達(dá)到可集成化的階段。 第五節(jié)本課題研究的主要內(nèi)容 本課題以二相混合式步進(jìn)電機(jī)為控制和驅(qū)動(dòng)對(duì)象，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)和恒頻脈 寬調(diào)制等先進(jìn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)研制高性能的多細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。目的是使混 合式步進(jìn)電機(jī)的低頻性能和高頻性能能同時(shí)得到相應(yīng)的改善。 本論文共分五個(gè)章節(jié)。第一章緒論敘述論文研究的背景、研究目的和意義， 介紹了國(guó)內(nèi)外步進(jìn)電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的研究現(xiàn)狀；第二章介紹了混合式步 進(jìn)電機(jī)及其工作原理；第三章介紹p w m 控制技術(shù)；第四章介紹了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)，對(duì)幾種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的性能進(jìn)行了分類(lèi)和性能比較；第五章是具體 電路的實(shí)現(xiàn)及仿真；第六章對(duì)整體電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證；第七章對(duì)全文進(jìn)行了總 結(jié)。 7 第二章混合式步進(jìn)電機(jī)及其工作原理 第二章混合式步進(jìn)電機(jī)及其工作原理 第一節(jié)步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)和工作原理 目前步進(jìn)電機(jī)的種類(lèi)繁多，性能特點(diǎn)也各有差異，但按照基本構(gòu)造和工作原 理可分為三種類(lèi)型：反應(yīng)式，即v r 型( v a u r i a b l er e l u c t a n c e ) ；永磁式( 亦稱爪 極式) ，即p m ( p e r m a n e n tm a n e t ) ；混合式，即h b ( h y b r i d ) 7 引 9 1 。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其定轉(zhuǎn)子均采用齒狀結(jié)構(gòu)，定子每個(gè)極上都繞有線圈， 轉(zhuǎn)子則是由軟鐵材料制成的。其基本原理是繞組通電勵(lì)磁之后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩 迫使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到磁通路徑磁阻最小的位置。為了更好的說(shuō)明反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的 工作原理，圖2 1 展示了簡(jiǎn)化的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其定子上有六個(gè)極，轉(zhuǎn)子 勿壘膩 圖2 1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)示意圖 圖2 2 四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)橫截面示意圖 8 第二章混臺(tái)式步進(jìn)電機(jī)及其 二作原理 只有四個(gè)小齒，步距角為3 0 。當(dāng)繞組a - a 鐳電時(shí)，為了保持其磁通路徑磁阻 最小，將產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩迫使1 、3 與之對(duì)齊；接著若繞組a 川斷電、繞組b b 鈕電， 則轉(zhuǎn)子將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)使得1 、3 與繞組b b 對(duì)齊保持磁通路徑磁阻最小。實(shí)際上的 步進(jìn)電機(jī)可通過(guò)增加定子極數(shù)或者轉(zhuǎn)子的齒數(shù)來(lái)減少步距角例如圖22 所示的 是四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的橫截面示意圖，其定子上有八個(gè)極，每個(gè)極上分布有5 個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子有5 0 個(gè)小齒，步距角為18 。 如圖23 所示，永磁式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子為n 極、s 極相間的永磁體，由于定子極 沖制成爪型因而又名爪極式步進(jìn)電機(jī)。其基本工作原理是轉(zhuǎn)子上的永磁體建立 的磁場(chǎng)和定子繞組電流激勵(lì)的磁場(chǎng)相互作用，形成的同性相斥、異性相吸的電 磁轉(zhuǎn)矩，當(dāng)繞組勵(lì)磁產(chǎn)生的合磁場(chǎng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)于也會(huì)跟著同步轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)， 如圖24 所示。 圖23 承磁式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 永磁式步進(jìn)電機(jī)的定子是由繞滿漆包線的注塑骨架套在爪極板上構(gòu)成的， 當(dāng)繞組通電勵(lì)磁后定子上爪極就會(huì)被磁化為n 極或者s 極，從而與轉(zhuǎn)子的n 極和s 極相互作用形成電磁轉(zhuǎn)矩。永磁式步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)具有 控制功率小、振動(dòng)和噪音小的優(yōu)點(diǎn)，但是由于其定子極數(shù)和轉(zhuǎn)子極數(shù)相同，且 轉(zhuǎn)子永磁體要制成n 、s 密集相間的多對(duì)磁極比較困難，因而其步距角一般比較 大。 混合式步進(jìn)電機(jī)定予、轉(zhuǎn)了鐵芯均為齒狀結(jié)構(gòu)同反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)非 常相似，但是其轉(zhuǎn)子帶有永久磁鋼具備永磁體的特性，所以混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 可看作v r 和p m 兩種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的組合。圖2 4 所示的混合式步進(jìn)電機(jī)的詳細(xì) 的結(jié)構(gòu)示意題圖。從圖中可以看出混合式步進(jìn)電機(jī)的定予是多個(gè)帶有小齒且繞 第二章混合式步進(jìn)電機(jī)及其工作原理 有線圈的極子構(gòu)成的這個(gè)可以說(shuō)和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是相同的，而轉(zhuǎn)了則是由 左右兩邊帶有小齒的鐵芯以及中間的永久磁鋼構(gòu)成，左右兩個(gè)鐵芯一邊呈現(xiàn)s 極另一呈現(xiàn)n 極且相互錯(cuò)開(kāi)l ，2 個(gè)小齒齒距以便形成跟永磁式步進(jìn)電機(jī)類(lèi)似的 n 、s 相問(wèn)磁極?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)的基本工作原理和永磁式步進(jìn)電機(jī)一樣，是靠 定 轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子 睇2 團(tuán)： 圖2 5 五相混合式步進(jìn)電機(jī)橫截面示意圖 第二章混合式步進(jìn)電機(jī)及其工作原理 繞組通電之后激勵(lì)的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)予固有的磁場(chǎng)進(jìn)行同性相斥、異性相吸的相互作 用，形成電磁轉(zhuǎn)矩促使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)定子繞組激勵(lì)的臺(tái)磁場(chǎng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)定子也 同步旋轉(zhuǎn)。目前步進(jìn)電機(jī)主要以定子8 極、轉(zhuǎn)子5 0 齒的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)和 定了1 0 極轉(zhuǎn)子5 0 齒的五相混合步進(jìn)電機(jī)為主，圖25 和圖2 6 為各自的橫截面 示意圖。 熱 謝 a ) a 柑逼t 乜 ( b ) u 褶塒乜 ( c ，c 相遙電 網(wǎng)2 7 單三拍通電方式時(shí)轉(zhuǎn)子的位置 第二章混合式步進(jìn)電機(jī)及其工作原理 2 1 1 單三拍通電方式的基本原理 設(shè)a 相首先通電( b 、c 兩相不通電) ，產(chǎn)生a a7 軸線方向的磁通，并通 過(guò)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。這時(shí)a 、a 極就成為電磁鐵的n 、s 極。在磁場(chǎng)的作用 下，轉(zhuǎn)子總是力圖轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，也就是要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子的齒對(duì)齊a 、a7 極 的位置( 圖2 7 a ) ；接著b 相通電( a 、c 兩相不通電) ，轉(zhuǎn)子便順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò) 3 0 0 ，接著c 相通電( a 、b 兩相不通電) ，轉(zhuǎn)子便順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)3 0 0 ，它的齒 和c 、c 極對(duì)齊( 圖2 7 c ) 。不難理解，當(dāng)脈沖信號(hào)一個(gè)一個(gè)發(fā)來(lái)時(shí)，如果按 a _ c b _ a 一的順序通電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子便逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。這種通電方式稱 為單三拍方式 2 1 。 2 1 2 六拍通電方式的基本原理 設(shè)a 相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子a 、a 對(duì)齊圖2 8 ( a ) 。然后在a 相繼續(xù)通 電的情況下接通b 相。這時(shí)定子b 、b 極對(duì)轉(zhuǎn)子齒2 、4 產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順 時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，但是a 、a 極繼續(xù)拉住齒l 、3 ，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個(gè)磁拉力平 衡為止。這時(shí)轉(zhuǎn)子的位置如圖2 8 ( b ) 所示，即轉(zhuǎn)子從圖2 8 ( a ) 位置順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò) 了1 5 0 。接著a 相斷電，b 相繼續(xù)通電。這時(shí)轉(zhuǎn)子齒2 、4 和定子b 、b 極對(duì)齊 圖2 8 ( c ) ，轉(zhuǎn)子從圖2 8 ( b ) 的位置又轉(zhuǎn)過(guò)了1 5 0 。其位置如圖2 8 ( d ) 所示。 這樣，如果按a - - - , a 、b _ b b 、c _ c _ c 、a a 的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子 便順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)，步距角1 5 0 。電流換接六次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn) 子前進(jìn)了一個(gè)齒距角。如果按a _ a 、c _ c - c 、b _ b 一b 、a _ a 的順序通 電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，這種通電方式稱為六拍方式。 2 1 3 雙三拍通電方式的基本原理 如果每次都是兩相通電，即按a 、b _ b 、c c 、a _ a 、b _ 的順序通電， 則稱為雙三拍方式，從圖2 8 ( b ) ，和圖2 8 ( d ) 可見(jiàn)，步距角也是3 0 0 。因此， 采用單三拍和雙三拍方式時(shí)轉(zhuǎn)子走三步前進(jìn)了一個(gè)齒距角，每走一步前進(jìn)了三 分之一齒距角；采用六拍方式時(shí)，轉(zhuǎn)子走六步前進(jìn)了一個(gè)齒距角，每走一步前 進(jìn)了六分之一齒距角。因此步距角e 可用下式計(jì)算2 1 3 1 0 - - 3 6 0 0 z r m 1 2 第二章混合式步進(jìn)電機(jī)及其工作原理 式中z r 是轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m 是運(yùn)行拍數(shù)。 一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最常見(jiàn)的步距角是3 。或1 5 。由上式可知，轉(zhuǎn)子上不只 4 個(gè)齒( 齒距角9 0 。) ，而有4 0 個(gè)齒( 齒距角為9 。) 。為了使轉(zhuǎn)子齒與定子齒 對(duì)齊，兩者的齒寬和齒距必須相等。因此，定子上除了6 個(gè)極以外，在每個(gè)極 面上還有5 個(gè)和轉(zhuǎn)子齒一樣的小齒。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖2 9 所示。 ( a ) a 相通電；( b ) a 、b 相通電；( c ) b 相通電：( d ) b 、c 相通電 圖2 8 六拍通電是轉(zhuǎn)子位置 圖2 9 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 第二章混合式步進(jìn)電機(jī)及其工作原理 第二節(jié)步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn) 由上述的工作原理可以知道步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)每相繞組不是恒定地通電，而是 通過(guò)“環(huán)形分配器按一定規(guī)律輪流通電。步進(jìn)電機(jī)這種輪流通電的方式稱為 “分配方式”。每循環(huán)一次所包含的通電狀態(tài)數(shù)稱為“狀態(tài)數(shù)”或“拍數(shù)。狀 態(tài)數(shù)等于相數(shù)的稱為單拍分配方式，狀態(tài)數(shù)等于相數(shù)的兩倍的稱為雙拍制分配 方式。不管分配方式如何，每循環(huán)一次，控制脈沖u k 的個(gè)數(shù)總等于拍數(shù)n ，而 加在每相繞組上的脈沖電壓( 或電流) 的個(gè)數(shù)卻等于一，因而控制脈沖頻率f 是每相脈沖電壓( 或電流) 頻率f 1 的n 倍。步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力。當(dāng)控制電 脈沖停止輸入，而讓最后一個(gè)脈沖控制的繞組繼續(xù)通直流電時(shí)，則電機(jī)可以保 持在固定的位置上，即停在最后一個(gè)脈沖控制的角位移的終點(diǎn)位置上，這樣， 步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)停車(chē)時(shí)的轉(zhuǎn)子定位。由于步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)的步數(shù)或轉(zhuǎn)速度既 不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變換的影響( 在負(fù)載允許范圍內(nèi)) ，也不受環(huán)境條件( 溫度、 壓力、沖擊和振動(dòng)等) 變化影響，只與控制脈沖同步，同時(shí)它又能按照控制的 要求，進(jìn)行起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)或改變轉(zhuǎn)速。因此步進(jìn)電機(jī)被廣泛地應(yīng)用于各種 數(shù)字控制系統(tǒng)中1 0 川1 川2 11 1 3 1 。 步進(jìn)電機(jī)的一些比較重要的參數(shù)在附錄中予以介紹。 1 4 第三章p w m 控制技術(shù)概述 第三章p w m 控制技術(shù)概述 p w m 控制技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片中的應(yīng)用最為廣泛，在大量應(yīng)用的驅(qū)動(dòng) 電路中，絕大部分都是p w m 控制。本章將簡(jiǎn)要介紹一下p w m 控制技術(shù)。 p w m 控制就是通過(guò)控制半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間比，來(lái)對(duì)脈沖寬 度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。也就是通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得 所需波形( 含形狀和幅值) 。 p w m 控制電路的特點(diǎn)主要是：可以得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓和電 流，減少了諧波，功率因數(shù)高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 第一節(jié)p w m 控制的基本原理 在采樣控制理論中，有一個(gè)重要的沖量等效原理：大小、波形不同的窄脈 沖變量作用在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，只要它們的沖量，( 變量) 對(duì)時(shí)間的積分相 等，其作用效果基本相同。這里所說(shuō)的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波 形基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其在低頻率段非常接近， 僅在高頻段略有差異。例如圖3 1 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示三個(gè)窄脈沖形狀不同，但 它們的面積( 沖量) 都等于1 ，當(dāng)它們加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響 應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D3 1 ( d ) 的單位脈沖函數(shù)6 ( t ) 時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即 為該環(huán)節(jié)的脈沖過(guò)渡函數(shù)。此原理可以成為面積等效原理，它是p w m 控制技術(shù) 的重要理論基礎(chǔ) 4 1 0 圖3 1 形狀不同而沖量相等的窄脈沖 用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波，如圖3 2 ( a ) 所示。把正 弦半波分成n 等份，就可以把正弦半波看成是由n 個(gè)彼此相連的脈沖序列所組 成的波形，這些脈沖寬度相等，都等于7 洲，但幅值不等，并且脈沖頂部不是水 平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同 樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分 面積( 沖量) 相等，就得到圖3 2 ( b ) 所示的脈沖序列，這就是p w m 波形?？?1 5 第三章p w m 控制技術(shù)概述 以看出，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。 根據(jù)面積等效原理，p w m 波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周， 也可以用同樣的方法得到p w m 波形。像這種脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，而且和 正弦波等效的p w m 波形，也稱s p w m ( s i n u s o i d a lp w m ) 波形1 0 1 1 2 1 。 礦 n 。 圖3 2 用p w m 波形代替正弦半波 要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖 的寬度即可。p w m 波形可分為等幅p w m 波和不等幅p w m 波2 種。不管是等 幅p w m 波，還是不等幅p w m 波，都是基于面積等效原理來(lái)進(jìn)行控制，因此其 本質(zhì)是相同的。由直流電源產(chǎn)生的p w m 波通常是等幅p w m 波。 第二節(jié)正弦波脈寬調(diào)制( s p w m ) 方式 正弦波脈寬調(diào)制( s p w m ) 的控制思想，是利用開(kāi)關(guān)器件，由控制線路按一 定的規(guī)律控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而在驅(qū)動(dòng)電路輸出端產(chǎn)生一組等幅不等寬的 脈沖序列。其脈寬基本上按正弦分布，以此脈沖列來(lái)等效正弦電壓波形。 正弦波脈寬調(diào)制是采用正弦波與等腰三角波相交的方案，確定各分段矩形 脈沖的寬度。通常采用等腰三角形作為載波，因?yàn)榈妊切紊?、下寬度與高 度成線性關(guān)系，且左、右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交時(shí)， 1 6 第三章p w m 控制技術(shù)概述 在交點(diǎn)時(shí)刻控制電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的 脈沖，這正好符合p w m 控制的要求。當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，多得到的就是 s p w m 波形。根據(jù)調(diào)制脈沖的極性可分為單極性和雙極性調(diào)制兩種 3 2 1 單極性正弦脈寬調(diào)制 圖3 3 為單向h 橋p w m 控制電路，負(fù)載為電感線圈，m o s f e t 作為開(kāi)關(guān) 器件。對(duì)m o s f e t 的控制方法4 5 11 6 1 ( 1 ) 在正半周期，使t a 2 和t a 3 一直處于截止?fàn)顟B(tài)，而使t a l 一直保持導(dǎo) 通，t a 4 交替通斷。當(dāng)t a l 和t a 4 都導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載上所加的電壓為直流電源電壓 v d c 。t a 4 關(guān)斷時(shí)，由于電感中的電流不能突變，負(fù)載電流將通