步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵技術(shù)研究

    步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其主要優(yōu)點(diǎn)是有較高的定位精度，無(wú)位置累積誤差；特有的開(kāi)環(huán)運(yùn)行機(jī)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(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)、噪聲大，在步進(jìn)電機(jī)的自然振蕩頻率附近運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生共振，且輸出轉(zhuǎn)矩隨著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高而下降，這些缺點(diǎn)限制了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍。步進(jìn)電機(jī)的性能在很大程度上取決于所用的驅(qū)動(dòng)器，改善驅(qū)動(dòng)器的性能，可以顯著地提高步進(jìn)電機(jī)的性能，因此研制高性能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一項(xiàng)普遍關(guān)注的課題。

1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)概述
    通常情況下，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)的速度和轉(zhuǎn)向。
    ②驅(qū)動(dòng)電路。即本文的研究?jī)?nèi)容，由圖1所示的脈沖信號(hào)分配和功率驅(qū)動(dòng)電路組成。根據(jù)控制器輸入的脈沖和方向信號(hào)，為步進(jìn)電機(jī)各繞組提供正確的通電順序，以及電機(jī)需要的高電壓、大電流；同時(shí)提供各種保護(hù)措施，比如過(guò)流、過(guò)熱等。
    ③步進(jìn)電機(jī)?？刂菩盘?hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)負(fù)載。

2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法的比較
2．1 恒電壓驅(qū)動(dòng)方式
2．1．1 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2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)。

    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)。
2．1．2 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。
    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(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)。
2．2 恒電流斬波驅(qū)動(dòng)方式
2．2．1 自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)
    圖4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。

2．2．2 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。
2．3 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5所示。

    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5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(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。基于此，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(xué)模型：當(dāng)Ia=Im·cosx，Ib=Im·sinx時(shí)(式中Im為電流額定值，Ia、Ib為實(shí)際的相電流，x由細(xì)分?jǐn)?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(jī)的要求。例如，86系列電機(jī)的額定電流為6～8 A，而57系列電機(jī)一般不超過(guò)6 A，驅(qū)動(dòng)器有各種檔位電流可供選擇。細(xì)分為對(duì)額定電流的細(xì)分。
    為實(shí)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(xué)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(xì)分也失去了意義。下面給出了基于該驅(qū)動(dòng)方法的驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案。

3 二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的總體設(shè)計(jì)方案
3．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖
    如圖8所示，控制板信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離與單片機(jī)中斷口相連。

    單片機(jī)根據(jù)收到的脈沖信號(hào)進(jìn)行脈沖信號(hào)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(shí)根據(jù)用戶設(shè)定的電流值和細(xì)分?jǐn)?shù)通過(guò)SPI口與D／A轉(zhuǎn)換器AD5623通信，得到設(shè)定的電流值(實(shí)際上是電流對(duì)應(yīng)的電壓值)。
    AD5623輸出的值為期望的電流對(duì)應(yīng)的電壓值，它必須與從功率模塊檢測(cè)得到的電流對(duì)應(yīng)的電壓值進(jìn)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(xì)分設(shè)定的撥碼開(kāi)關(guān)相連，把得到的值通過(guò)SPI口傳給單片機(jī)；以D觸發(fā)器為核心的控制邏輯，根據(jù)單片機(jī)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(kāi)關(guān)。
   功率驅(qū)動(dòng)模塊直接與電機(jī)相連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。采用8個(gè)MOS管IRF740構(gòu)成2個(gè)H橋雙極型驅(qū)動(dòng)電路。IRF740最高可承受400 V電壓和10 A電流，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間不會(huì)超過(guò)51 ns，管子導(dǎo)通電壓Vgs的取值范圍為4～20 V。
3．2 細(xì)分關(guān)鍵技術(shù)方案
    “額定電流可調(diào)的等角度恒力矩細(xì)分”驅(qū)動(dòng)方法的實(shí)質(zhì)是恒流控制，關(guān)鍵是電流的精確控制，必須同時(shí)滿足以下各個(gè)條件：

    ①D／A轉(zhuǎn)換器輸出的電流值必須與期望值相當(dāng)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(gè)等級(jí)，滿足了200細(xì)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(dá)50 MHz，建立時(shí)間快，同時(shí)單電壓供電，連接簡(jiǎn)單。
    ②檢測(cè)到的電流必須能正確地反映此時(shí)的相電流。由于電機(jī)的相電流通常很大，電壓很高，檢測(cè)有一定的難度。常用的檢測(cè)方法有外接標(biāo)準(zhǔn)小電阻，電路簡(jiǎn)單，但干擾比較大，準(zhǔn)確性比較差；霍爾傳感器檢測(cè)準(zhǔn)確，干擾小，連接也不復(fù)雜，所以該驅(qū)動(dòng)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(shí)間只需12 ns，比較的電壓只要相差2 mV即可檢測(cè)出來(lái)(最大不超過(guò)4 mV)，反應(yīng)非常靈敏。
    ④控制功率管開(kāi)關(guān)的邏輯電路要有很高的實(shí)時(shí)性，保證相電流在設(shè)定電流上下做很小的波動(dòng)，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(jiǎn)單，連接方便。圖9是控制電路的邏輯圖。

    如圖9所示，當(dāng)比較結(jié)果為低電平時(shí)(檢測(cè)到的電流大于設(shè)定電流)，D觸發(fā)器輸出為1，或門(mén)輸出高電平，關(guān)斷管子，電流變小；當(dāng)檢測(cè)到電流小于設(shè)定電流時(shí)，管子導(dǎo)通，從而保證相電流在設(shè)定電流上下做很小的波動(dòng)。

結(jié) 語(yǔ)
    本文建立了“額定電流可調(diào)的等角度恒力矩細(xì)分”驅(qū)動(dòng)方法，并基于該方法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了二相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，最高可達(dá)200細(xì)分，驅(qū)動(dòng)電流從O．5 A／相到8 A／相可調(diào)，可驅(qū)動(dòng)24系列到86系列的步進(jìn)電機(jī)。實(shí)際應(yīng)用證明，該方法基本上克服了傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)低速振動(dòng)大和噪聲大的缺點(diǎn)，電機(jī)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(jiǎn)單。