步进电动机驱动和控制专业技术

步进电动机的驱动和控制技术
步进电动机的驱动和控制技术
步进电动机与交直流电动机不同之处是，仅仅接上供电电源它是不会运行的，图11.29表示步进电动机的驱动和控制系统的基本组成。

该系统包括步进电动机、脉冲发生器、脉冲分配器、功率放大器以及直流功率电源等五个部分。

较复杂的驱动控制系统带有位置反馈的环节，组成闭环系统。

脉冲发生器和脉冲分配器
脉冲发生器是产生步进电动机角位移或速度的控制脉冲电路。

步进电动机运行的转角或转速由脉冲发生器的脉冲频率(Hz或脉冲/s)所确定。

步进电动机的转角正比于输入的脉冲数，对应于脉冲信号数量，它是频率和时间的乘积。

例如一个步距角为1.8。

的步进电动机
要旋转90°，则根据1.8×N=90，得到脉冲信号数量N＝50。

θ=Nθ0
式中θ-转角(°)；N-脉冲个数；θ0-步距角（°/步）。

步进电动机的步距角是由其设计结构决定的，在以一般方式运行时，步进电动机的转角只能是步距角的整数倍，因此在设计步进电动机驱动系统时，必须考虑其步距角。

由硬件制作的脉冲发生器电路不胜枚举，学过数字电路的读者应该比较熟悉。

在当前微处理器大量渗
透传动技术的形势下，利用微处理器的软硬件资源实现脉冲发生器的功能也是很容易的，在第12章中将对此有所介绍。

脉冲分配器是时序逻辑电路的一种，它接受脉冲发生器的控制脉冲信号，输出按一定时序排列的多路电平信号。

通常电机的脉冲分配器为环形分配器，即时序按环形移位封闭排列。

脉冲分配器的工作方式是与步进电动机的相数、拍数、运行状态、正反转等要求有关。

脉冲分配器可以由分立元件组成数字电路，但较复杂、可靠性差。

目前，脉冲分配器大多采用专用集成电路来组成，以完成各种脉冲分配方式。

PMM8713是一个16引脚的专门用于步进电机脉冲分配的集成电路芯片，具有把时钟脉冲分配给三相或四相绕组的功能，其原理图见图11.30。

它有六种脉冲分配方式可供选择（三相三种，四相三种）。

该电路采用CMOS铝栅工艺结构，输入端与标准CMOS兼容，而且均采用施密特整形电路；输出端驱动能力不低于20mA，同时还将控制器的状态变成检测信号输出。

PMM8713各引脚功能简述如下：
1脚(Cu)-正转时钟脉冲输入端。

当该端有脉冲输入时，在输出端φ1～φ4将有正转脉冲序列输出。

2脚(CD) -反转时钟脉冲输入端。

当该端有脉冲输入时，在输出端φ1～φ4将有反转脉冲序列输出。

3脚(CK) -正／反转时钟脉冲输入端。

4脚(U/D) -正／反转控制端。

芯片提供了灵活选择两种时钟脉冲输入模式的手段。

前者通过1、2两脚分别输入正转或反转两种脉冲，后者通过3脚输入脉冲序列，至于是正转还是反转则由4脚控制。

这两者方式不能同时使用，如采用1、2脚输入时钟脉冲，则3、4脚应接低电平；如采用3、4脚输入模式，则1、2脚应接低电平。

5、6脚(EA、EB) -励磁切换控制。

当EA.EB同时为低电平“O”时，输出为双励磁方式（对于三相电机来说，相当于双三拍方式）；当EA.EB为不同电平时，输出为单励磁方式（对于三相电机来说，相当于单三拍方式）；当EA、EB同时为高电平“1”时，输出为1—2双励磁方式（对于三相电机来说，相当于六拍方式）。

7脚（φc）-三相/四相控制。

该端为低电平“O”时，为三相输出；为高电平“1”时，为四相输出。

8脚(Uss) -电源接地端。

9脚(R) -复位端。

将输出复位到初始状态j
10～13脚（φ4～φ1）-各相信号输出端。

输出端驱动能力不低于20mA。

14脚(EM)-励磁方式检测输出。

15脚(Co)-时钟脉冲检测输出。

16脚(UDD) -电源端(+4～+18V)。

图11.31为PMM8713的φ1～φ4对应于三相电机三种相序状态。

单极性驱动和双极性驱动电路
驱动电路即是功率放大器，它将脉冲分配器送来的触发信号放大，以足够的功率来驱动步进电动机。

通常由脉冲分配器与功率放大器组成步进电动机驱动器。

从步进电动机的绕组形式来看，驱动电路可划分为单极性和双极性电路两种。

单极性电路中，相电流流经绕组始终只有一个方向，如图11.24所示。

单极性电路一般用于磁阻式步进电动机和带中心抽头的永磁式步进电动机。

由于绕组利用率低，故电动机输出转矩较小，但是驱动电路简单，成本较低。

双极性驱动方式时，相电流在同一绕组中有两个流动方向（见图11.32），其绕组利用率高，输出转矩大，但与单极性绕组相反，驱动电路复杂，成本高。

不同驱动方式的原理及特点
(1)恒压驱动方式
恒电压驱动方式是指步进电动机绕组上加上恒定的电压，如图11.33(a)所示。

这种驱动方式的电路相当简单，流经绕组中的电流以时间常数τ1=La/Ra（La为绕组的等效电感，Ra为绕组的等效电阻）上升，直至稳定状态。

当电动机高速运转时，流经绕组的电流还未上升到稳定状态就被关断，相应的平均电流减少而导致输出转矩下降。

为改善高速状态的电动机转矩特性，通常在连接电动机绕组的线路中串联一个无感电阻，并外加更高的电压，如图11.33(b)所示，此时线路的电气时间常数τ2=La/(Ra+Rs)（Rs为外加电阻阻值），τ2与τ1相比要减小很多，绕组电流的上升坡度变陡，平均电流因此而提高，输出转矩随之增加，但在电阻民上要损耗过多的能量，因此通常选择Rs=(2～3)Ra。

(2)高低压切换驱动方式
高低压驱动方式是恒电压驱动方式的改进型，它使用两种电压电源，即步进电动机额定电压和比它高几倍的电压电源。

此方式可改善电动机启动时的电流前沿特性，如图11. 34所示。

当某相绕组开始导通时，高压功率管T1与低压功率管T2同时导通，此时加到绕组上的电压为高端电压EH，上升电流具有较陡的前沿特性。

当电流上升到额定值时，高压功率管T1关闭，只剩下低压功率管T2以维持相电流。

这种电路常用于大功率驱动电源，其特点是功耗较低，高频出力较大。

(3)恒流斩波驱动方式
恒电流驱动是一种采用斩波技术，使电动机在从低速到高速运行范围内保持绕组电流恒定的一种驱动方式。

它弥补了高低电压电路相电流波形有凹点的缺陷，提高了输出转矩，是目前控制场合使用最为广泛的一种线路。

图11.35所示的恒流斩波电路中有一个电压比较器。

当开关功率晶体管T1导通时，绕组电流在取样电阻Rs上产生一个电压Us，当Us上升到设定电压UREF时，由比较器比较后产生信号使大功率晶体管T1关断，绕组电流下降并导致Us下降，当Us小于UREF-定值时，比较器电平翻转又使大功率晶体管T1开通，从而使绕组电流保持在额定电流上下的一定范围内。

由于线路中没有外接附加电阻，而取样电阻Rs很小，因此整个线路的损耗相当小，而电动机绕组电流却能在运行范围内保持恒定，电动机恒转矩输出范围增大。

为了保证电流响应的快速性，这种方式下应使用比电动机额定值高得多的供电电压。

该电路在低频时会使电动机产生严重的振荡，系统设计时应尽量避开这个振荡区域。

微步距驱动控制技术（细分技术）
在前面双三拍和单双六拍的讨论中，我们已经知道以相同的电流激励两相绕组，将获得半步的动作，使转子到达介于两个单相驱动的位置中间的位置。

那么不难想象，如果两相绕组的电流不相等将导致转子位置偏向于磁场较强的定子磁极，这种效应在微步距驱动技术中得到应用。

通过按比例地调节两相绕组中的电流，将电动机的基本步距角细分，步距角大为减小，低速下运行的流畅性得到极大的改善。

高分辨率的细分驱动可将一个整步细分到多至500微步，导致每转可达十万步。

在这种条件下，绕组中的电流模式类似相位差为90°的两个正弦波（图11. 36），电动机运行起来像一台交流同步电动机。

微步距技术使步进电动机步距细化，分辨率有所提高，振动噪声和转矩波动问题得到很大改善，运转
更为平稳，使步进电动机在高级控制系统中获得更大的竞争力。

表11.3是对步进电动机的特点的一个小结。