步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路及原理

步進(jìn)電機驅動(dòng)線(xiàn)路,如果按照環(huán)形分配器決定的分配方式,控制電動(dòng)機各相繞組的導通或截止,從而使電動(dòng)機產(chǎn)生步進(jìn)所需的旋轉磁勢拖動(dòng)轉子步進(jìn)旋轉,則步距角只有二種,即整步工作或半步工作,步距角已由電機結構所確定。如果要求步進(jìn)電機有更小的步距角,更高的分辨率,或者為了電機振動(dòng)、噪聲等原因,可以在每次輸入脈沖切換時(shí),只改變相應繞組中額定的一部分,則電機的合成磁勢也只旋轉步距角的一部分,轉子的每步運行也只有步距角的一部分。這里,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,電流分成多少個(gè)臺階,則轉子就以同樣的次數轉過(guò)一個(gè)步距角,這種將一個(gè)步距角細分成若干步的驅動(dòng)方法,稱(chēng)為細分驅動(dòng)。在國外,對于步進(jìn)系統,主要采用二相混合式步進(jìn)電機及相應的細分驅動(dòng)器。但在國內,廣大用戶(hù)對“細分”還不是特別了解,有的只是認為,細分是為了提高精度,其實(shí)不然,細分主要是改善電機的運行性能。由于細分驅動(dòng)器要精確控制電機的相電流,所以對驅動(dòng)器要有相當高的技術(shù)要求和工藝要求,成本亦會(huì )較高。

圖3 給出了三相步進(jìn)電機八細分時(shí)的各相電流狀態(tài)。由于各相電流是以1P4 的步距上升或下降的,原來(lái)一步所轉過(guò)的角度θ將由八步完成,實(shí)現了步距角的八細分。由此可見(jiàn),步進(jìn)電機細分驅動(dòng)的關(guān)鍵在于細分步進(jìn)電機各相勵磁繞組中的電流。

步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路

為了對步進(jìn)電機的相電流進(jìn)行控制,從而達到細分步進(jìn)電機步距角的目的,人們曾設計了很多種步進(jìn)電機的細分驅動(dòng)電路。隨著(zhù)微型計算機的發(fā)展,特別是單片計算機的出現,為步進(jìn)電機的細分驅動(dòng)帶來(lái)了便利。目前,步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路大多數都采用單片微機控制,它們的構成框圖如圖4 所示。單片機根據要求的步距角計算出各相繞組中通過(guò)的電流值,并輸出到數模轉換器(DPA) 中,由DPA 把數字量轉換為相應的模擬電壓,經(jīng)過(guò)環(huán)形分配器加到各相的功放電路上,控制功放電路給各相繞組通以相應的電流,來(lái)實(shí)現步進(jìn)電機的細分。單片機控制的步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路根據末級功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開(kāi)關(guān)型兩種(見(jiàn)下圖5)。

圖5 　步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路
放大型步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路中末級功放管的輸出電流直接受單片機輸出的控制電壓控制,電路較簡(jiǎn)單,電流的控制精度也較高,但是由于末級功放管工作在放大狀態(tài),使功放管上的功耗較大,發(fā)熱嚴重,容易引起晶體管的溫漂,影響驅動(dòng)電路的性能。甚至還可能由于晶體管的熱擊穿,使電路不能正常工作。因此該驅動(dòng)電路一般應用于驅動(dòng)電流較小、控制精度較高、散熱情況較好的場(chǎng)合。開(kāi)關(guān)型步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路中的末級功放管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),從而使得晶體管上的功耗大大降低,克服了放大型細分電路中晶體管發(fā)熱嚴重的問(wèn)題。但電路較復雜,輸出的電流有一定的波紋。因此該驅動(dòng)電路一般用于輸出力矩較大的步進(jìn)電機的驅動(dòng)。

隨著(zhù)大輸出力矩步進(jìn)電機的發(fā)展,開(kāi)關(guān)型細分驅動(dòng)電路近年來(lái)得到長(cháng)足的發(fā)展。目前,最常用的開(kāi)關(guān)型步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路有斬波式和脈寬調制(PWM) 式兩種。斬波式細分驅動(dòng)電路的基本工作原理是對電機繞組中的電流進(jìn)行檢測,和DPA 輸出的控制電壓進(jìn)行比較,若檢測出的電流值大于控制電壓,電路將使功放管截止,反之,使功放管導通。這樣,DPA輸出不同的控制電壓,繞組中將流過(guò)不同的電流值。脈寬調制式細分驅動(dòng)電路是把DPA 輸出的控制電壓加在脈寬調制電路的輸入端,脈寬調制電路將輸入的控制電壓轉換成相應脈沖寬度的矩形波,通過(guò)對功放管通斷時(shí)間的控制,改變輸出到電機繞組上的平均電流。由于電機繞組是一個(gè)感性負載,對電流有一定的波波作用,而且脈寬調制電路的調制頻率較高,一般大于20 kHz ,因此,雖然是斷續通電,但電機繞組中的電流還是較平穩的。和斬波式細分動(dòng)電路相比,脈寬調制式細分驅動(dòng)電路的控制精度高,工作頻率穩定,但線(xiàn)路較復雜。因此,脈寬調制式細分驅動(dòng)電路多用于綜合驅動(dòng)性能要求較高的場(chǎng)合。