為你支招，步進(jìn)電機驅動(dòng)設計不再難

步進(jìn)電機在工業(yè)控制中有著(zhù)舉足輕重的地位，在步進(jìn)電機驅動(dòng)設計中，設計師難免會(huì )遇到各種讓人糾結、疑惑的問(wèn)題。本次半月談集網(wǎng)友之智慧，詳細講解步進(jìn)電機http://bbsic.big-bit.com/多種驅動(dòng)方式、以及在設計中應注意的問(wèn)題以及考慮的因素。

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

恒電壓驅動(dòng)方式

單電壓驅動(dòng)

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

圖1 單電壓驅動(dòng)原理圖

為使通電時(shí)繞組電流迅速達到預設電流，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(chēng)“續流回路”。

單電壓功率驅動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結構簡(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)功率驅動(dòng)電路的效率較低，僅適合于驅動(dòng)小功率步進(jìn)電機。

高低壓驅動(dòng)

為了使通電時(shí)繞組能迅速到達設定電流，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，出現了高低壓驅動(dòng)方式。

圖2 高低壓驅動(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。在導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。高低壓驅動(dòng)可獲得較好的高頻特性，但是由于高壓管的導通時(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。

恒電流斬波驅動(dòng)方式

自激式恒電流斬波驅動(dòng)

圖3為自激式恒電流斬波驅動(dòng)框圖。把步進(jìn)電機繞組電流值轉化為一定比例的電壓，與D/A轉換器輸出的預設值進(jìn)行比較，控制功率管的開(kāi)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動(dòng)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(huì )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。

圖3 自激式恒電流斬波驅動(dòng)框圖

它激式恒電流斬波驅動(dòng)

為了解決自激式斬波頻率可變引起的浪涌電壓?jiǎn)?wèn)題，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：當比較器輸出的導通脈沖剛好介于D觸發(fā)器的2個(gè)時(shí)鐘上升沿之間時(shí)，該控制信號將丟失，一般可通過(guò)加大D觸發(fā)器時(shí)鐘頻率解決。

細分驅動(dòng)方式

這是本文討論的重點(diǎn)，也是該系統采用的驅動(dòng)方法。細分驅動(dòng)最主要的優(yōu)點(diǎn)是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機的定位精度、啟動(dòng)性能和高頻輸出轉矩;其次，減弱或消除了步進(jìn)電機的低頻振動(dòng)，降低了步進(jìn)電機在共振區工作的幾率?？梢哉f(shuō)細分驅動(dòng)技術(shù)是步進(jìn)電動(dòng)機驅動(dòng)與控制技術(shù)的一個(gè)飛躍。

細分驅動(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，而是只改變相應繞組中電流的一部分，電動(dòng)機的合成磁勢也只旋轉步距角的一部分。細分驅動(dòng)時(shí)，繞組電流不是一個(gè)方波而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除。比如：電流分成n個(gè)臺階，轉子則需要n次才轉過(guò)一個(gè)步距角，即n細分，如圖4所示。

圖4 二相電機細分電流階梯波

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(diǎn)是控制較為簡(jiǎn)單，在硬件上容易實(shí)現;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(zhù)不斷變化，從而引起滯后角的不斷變化。當細分數很大、微步距角非常小時(shí)，滯后角變化的差值已大于所要求細分的微步距角，使得細分實(shí)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(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“額定電流可調的等角度恒力矩細分”驅動(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(zhù)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 二相電機相電流矢量合成圖