基于細(xì)分控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

1、第卷第期年月淮陰師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）（）暢暢基于細(xì)分控制原理的步進(jìn)電機(jī)通用驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)馬耀家，黃建（北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京）摘要：闡述了細(xì)分控制原理，介紹了一種基于細(xì)分控制原理的步進(jìn)電機(jī)通用驅(qū)動(dòng)器并以步進(jìn)電機(jī)為負(fù)載，用實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，得到比較滿意的結(jié)果關(guān)鍵詞：細(xì)分；步進(jìn)電機(jī)；驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)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?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及電機(jī)控制引言步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字式電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移（角位移或線位移）的機(jī)電執(zhí)行元件，在機(jī)電控制應(yīng)用中，必須與相應(yīng)的電子驅(qū)動(dòng)電路配合使用其性能不僅取決于步進(jìn)電

2、動(dòng)機(jī)本身，很大程度上還取決于驅(qū)動(dòng)器的性能細(xì)分控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩均勻控制，從而改進(jìn)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(jìn)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(gè)外部中斷產(chǎn)生一級階梯波電壓信號，該電壓信號二進(jìn)制數(shù)值等于同相位下相應(yīng)相的正弦波幅值該三相階梯波通過位電壓型數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，輸出三相模擬正弦波參考電壓波形、參考信號與實(shí)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(qū)動(dòng)芯片，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，從而構(gòu)成一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正弦波細(xì)分驅(qū)動(dòng)器該驅(qū)動(dòng)器具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行功耗低等優(yōu)點(diǎn)該系統(tǒng)的細(xì)分?jǐn)?shù)可以在微控制器運(yùn)行程序中指定，

3、在細(xì)分到級細(xì)分?jǐn)?shù)之間選擇本文介紹一種采用位微控制器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正弦波細(xì)分控制方案，采用公司的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)全橋電流斬波電路，生成細(xì)分正弦電流驅(qū)動(dòng)瓦到瓦功率范圍內(nèi)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)中，采用型步進(jìn)電機(jī)作為負(fù)載，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性細(xì)分控制技術(shù)原理與電路設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制的基本思想是每次輸入脈沖時(shí)，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(lì)磁繞組中電流的大小，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場近似為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)對步進(jìn)

4、電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩均勻控制，必須合理控制電機(jī)繞組中的電流，使得合成磁場以很小的步距角轉(zhuǎn)動(dòng)，而且每個(gè)進(jìn)給脈沖所引起的合成磁場的角度變化要均勻，使得步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部合成磁場近似為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)與電流控制技術(shù)是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)展的主要趨勢目前細(xì)分驅(qū)動(dòng)多采用量化的階梯波、正弦波作為驅(qū)動(dòng)電流波形本文中的細(xì)分角指驅(qū)動(dòng)器控制下步進(jìn)電機(jī)可以到達(dá)的最小的步距角，細(xì)分?jǐn)?shù)指原來的步距角和細(xì)分角的倍數(shù)電路設(shè)計(jì)如圖圖硬件電路總體設(shè)計(jì)暢三相參考正弦波生成方案外部設(shè)備給出的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖作為位微控制器的外部中斷信號，微處理器存儲有設(shè)定細(xì)分?jǐn)?shù)下每一組三路階梯波分別對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)值大小每接到一個(gè)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(jìn)制數(shù)字信號，分別送到三相對應(yīng)的轉(zhuǎn)換器上帶有輸入輸出兩級鎖存器的轉(zhuǎn)換芯片依次接收到二進(jìn)制數(shù)字信號，送入三相對應(yīng)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(shí)給出輸出命令，三路數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片同時(shí)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(gè)中斷的到來下一個(gè)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(jìn)制參考信號，繼續(xù)送入數(shù)模轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生三相參考信號如此不斷循環(huán)運(yùn)行，按照數(shù)值表順序產(chǎn)生三相近似正弦的階梯波程序流程如圖暢橋驅(qū)動(dòng)信號生成方案是美國公司生產(chǎn)的大功率用驅(qū)動(dòng)集成電路，雙列直插引腳，高集成度六

6、路驅(qū)動(dòng)，所需外圍組件少偏置電壓最大，輸出的最大正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為，反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為柵壓范圍開關(guān)時(shí)間（典型值）死區(qū)時(shí)間（典型值）具有過流關(guān)斷、欠壓封鎖功能，圖、兩相驅(qū)動(dòng)信號生成電路圖相驅(qū)動(dòng)信號生成電路的控制信號由三相比較電路生成電路的結(jié)構(gòu)由運(yùn)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(jìn)電機(jī)、兩相繞組的電流，得到的電流信號進(jìn)過采樣電阻生成反饋電壓信號，該兩相反饋信號又經(jīng)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(jù)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)電樞三相星形接發(fā)的特點(diǎn)知道，所以對、相反饋信號經(jīng)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(jīng)光耦隔離之后，得出、三個(gè)輸出信號，該三個(gè)信號經(jīng)反相器，即得、三個(gè)反相信號這六個(gè)信號構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路的控制信號暢驅(qū)動(dòng)部分的電路驅(qū)動(dòng)部分的電路比較復(fù)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(xì)分控制原理的步進(jìn)電機(jī)通用驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)率管驅(qū)動(dòng)的懸浮電源存儲能量，、的作用是防止上橋臂導(dǎo)通時(shí)的直流電壓加到的電源上而使器件損壞，因此、應(yīng)有足夠的反向耐壓，當(dāng)然由于與、與、與串聯(lián)，為了滿足主電路功率管開關(guān)頻率的要求，、應(yīng)選快速恢復(fù)肖特二極管、是的門極驅(qū)動(dòng)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(diào)電阻，兩者在實(shí)際應(yīng)用中用導(dǎo)線短路的、作為功率管的輸入信號端

8、，輸入、六個(gè)信號經(jīng)發(fā)光二極管與電壓相連，暢電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出六路驅(qū)動(dòng)電壓信號，分別驅(qū)動(dòng)六個(gè)開關(guān)管全橋斬波得到近似為三相正弦波的驅(qū)動(dòng)電流、驅(qū)動(dòng)三相混合式步進(jìn)電機(jī)試驗(yàn)中采用三相混合式步進(jìn)電機(jī)作為負(fù)載步進(jìn)電機(jī)參數(shù)如下：步距角：暢；溫升：；絕緣電阻：（）；環(huán)境溫度：；絕緣強(qiáng)度：；絕緣等級：；額定電壓：暢；額定電流：圖驅(qū)動(dòng)電路原理圖實(shí)驗(yàn)與結(jié)果在驅(qū)動(dòng)器工作在細(xì)分，細(xì)分，細(xì)分下的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)電樞電流波形的示波器截圖分別如圖、圖和圖 所示圖細(xì)分相電樞電流波形圖細(xì)分相電樞電流波形圖細(xì)分相電樞電流波形淮陰師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第卷結(jié)論經(jīng)過運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，證明設(shè)計(jì)可行，得到的驅(qū)動(dòng)電流符合預(yù)期要求實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證細(xì)分?jǐn)?shù)越大，細(xì)分角越小，電樞電流越接近正弦，電機(jī)運(yùn)行越平穩(wěn)即合成磁場以很小的步距角轉(zhuǎn)動(dòng)，近似為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場但是細(xì)分控制技術(shù)難以做到精確控制細(xì)分后的步進(jìn)角，在細(xì)分?jǐn)?shù)較大時(shí)（實(shí)驗(yàn)中細(xì)分?jǐn)?shù)大于）步進(jìn)角難以準(zhǔn)確控制因而細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)適用于要求電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的場合，而不適用于精確的步距控制場合參考文獻(xiàn)：王季秩，曲家騏執(zhí)行電動(dòng)機(jī)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，譚建成電機(jī)控制專用集成電