為你支招，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)不再難

步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)控制中有著舉足輕重的地位，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師難免會(huì)遇到各種讓人糾結(jié)、疑惑的問(wèn)題。本次半月談集網(wǎng)友之智慧，詳細(xì)講解步進(jìn)電機(jī)http://bbsic.big-bit.com/多種驅(qū)動(dòng)方式、以及在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題以及考慮的因素。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式有很多種，下文就分別講解恒電壓驅(qū)動(dòng)方式和恒電流斬波驅(qū)動(dòng)方式的不同之處。

恒電壓驅(qū)動(dòng)方式

單電壓驅(qū)動(dòng)

單電壓驅(qū)動(dòng)是指在電機(jī)繞組工作過(guò)程中，只用一個(gè)方向電壓對(duì)繞組供電。如圖1所示，L為電機(jī)繞組，VCC為電源。當(dāng)輸入信號(hào)In為高電平時(shí)，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(jī)繞組上。當(dāng)In為低電平時(shí)，三極管截止，繞組無(wú)電流通過(guò)。

圖1 單電壓驅(qū)動(dòng)原理圖

為使通電時(shí)繞組電流迅速達(dá)到預(yù)設(shè)電流，串入電阻Rc;為防止關(guān)斷T時(shí)繞組電流變化率太大，而產(chǎn)生很大的反電勢(shì)將T擊穿，在繞組的兩端并聯(lián)一個(gè)二極管D和電阻Rd，為繞組電流提供一個(gè)泄放回路，也稱“續(xù)流回路”。

單電壓功率驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)功率驅(qū)動(dòng)電路的效率較低，僅適合于驅(qū)動(dòng)小功率步進(jìn)電機(jī)。

高低壓驅(qū)動(dòng)

為了使通電時(shí)繞組能迅速到達(dá)設(shè)定電流，關(guān)斷時(shí)繞組電流迅速衰減為零，同時(shí)又具有較高的效率，出現(xiàn)了高低壓驅(qū)動(dòng)方式。

圖2 高低壓驅(qū)動(dòng)原理圖

如圖2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(hào)。在導(dǎo)通前沿用高電壓供電來(lái)提高電流的前沿上升率，而在前沿過(guò)后用低電壓來(lái)維持繞組的電流。高低壓驅(qū)動(dòng)可獲得較好的高頻特性，但是由于高壓管的導(dǎo)通時(shí)間不變，在低頻時(shí)，繞組獲得了過(guò)多的能量，容易引起振蕩?？赏ㄟ^(guò)改變其高壓管導(dǎo)通時(shí)間來(lái)解決低頻振蕩問(wèn)題，然而其控制電路較單電壓復(fù)雜，可靠性降低，一旦高壓管失控，將會(huì)因電流太大損壞電機(jī)。

恒電流斬波驅(qū)動(dòng)方式

自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)

圖3為自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)框圖。把步進(jìn)電機(jī)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(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，控制功率管的開(kāi)關(guān)，從而達(dá)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(dòng)可以將電機(jī)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(huì)使繞組激起很高的浪涌電壓，因而對(duì)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。

圖3 自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)框圖

它激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)

為了解決自激式斬波頻率可變引起的浪涌電壓?jiǎn)栴}，可在D觸發(fā)器加一個(gè)固定頻率的時(shí)鐘。這樣基本上能解決振蕩問(wèn)題，但仍然存在一些問(wèn)題。比如：當(dāng)比較器輸出的導(dǎo)通脈沖剛好介于D觸發(fā)器的2個(gè)時(shí)鐘上升沿之間時(shí)，該控制信號(hào)將丟失，一般可通過(guò)加大D觸發(fā)器時(shí)鐘頻率解決。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式

這是本文討論的重點(diǎn)，也是該系統(tǒng)采用的驅(qū)動(dòng)方法。細(xì)分驅(qū)動(dòng)最主要的優(yōu)點(diǎn)是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機(jī)的定位精度、啟動(dòng)性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩;其次，減弱或消除了步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，降低了步進(jìn)電機(jī)在共振區(qū)工作的幾率。可以說(shuō)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的一個(gè)飛躍。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)是指在每次脈沖切換時(shí)，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(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，繞組電流不是一個(gè)方波而是階梯波，額定電流是臺(tái)階式的投入或切除。比如：電流分成n個(gè)臺(tái)階，轉(zhuǎn)子則需要n次才轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，即n細(xì)分，如圖4所示。

圖4 二相電機(jī)細(xì)分電流階梯波

一般的細(xì)分方法只改變某一相的電流，另一相電流保持不變。如圖所示，在O°～45°，Ia保持不變，Ib由O逐級(jí)變大;在45°～90°，Ib 保持不變，Ia由額定值逐級(jí)變?yōu)?。該方法的優(yōu)點(diǎn)是控制較為簡(jiǎn)單，在硬件上容易實(shí)現(xiàn);但由圖5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(dāng)細(xì)分?jǐn)?shù)很大、微步距角非常小時(shí)，滯后角變化的差值已大于所要求細(xì)分的微步距角，使得細(xì)分實(shí)際上失去了意義。

這就是目前常用的細(xì)分方法的缺陷，那么有沒(méi)有一種方法讓矢量角度變化時(shí)同時(shí)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(shí)改變兩相電流呢?即Ia、Ib以某一數(shù)學(xué)關(guān)系同時(shí)變化，保證變化過(guò)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(xì)分”驅(qū)動(dòng)方法，以消除力距不斷變化引起滯后角的問(wèn)題。如圖6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。

圖5 二相電機(jī)相電流矢量合成圖