步进电机细分驱动原理及恒流斩波原理

步进电机细分驱动原理及恒流斩波原理细分的基木概念为：步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了。

如驱动器工作在10细分状态时，其步距角只为'电机固有步距角'的十分之一，
也就是：当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，
电机转动1.80；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了
0.180。

细分功能完全是山驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。

驱动器细分后的平要优点为：完全消除了电机的低频振荡；提高了电机的
输出转矩，尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约30-40%；
提高
了电机的分辨率，山于减小了步距角、提高了步距的均匀度，'提高电机的分
辨率'是不言而喻的。

以上这些优点，尤其是在性能卜的优点，并不是一个量
的变化，而是质的匕跃。

因此，在性能上的优点是细分的真正优点。

细分原理
当要求步进电动机有更小的步距角，更高的分辨率(即脉冲当影，或者为减
小电动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电
流个
部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定的一部分，则电动机的合成磁势也
只旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分。

这里，绕组
电流不是一个方被，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，电流分成
步进电机细分驱动控制器的研究
多少个台阶，则转子就以同样的
步数转过一个步距角。

这种将一
个步跟角细分成若干步的驱动
方法，称为细分驱动。

细分驱动
时绕组阶梯电流波形示意图如
图2-10所示。

细分技术又称为微步距控
制技术，是步进电动机开环控制
最新技术之一，利用计算机数字
处理技术和D/A转换技术，将
图2 Fig2-10 to绕组阶梯电流彼推图
.Waveform of Winding Current
各相绕组电流通过PWM控制，获得按规律改变其幅值的大小和方向，实现将
步进电动机一个整步均分为若干个更细的微步。

每个微步距可能是原来基本步
距的数卜分之一，甚至是数百分之一。

步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是提高电机
的运转精度，实现步进电机步距角的高精度细分；其次，细分技术的附带功能
是减弱或消除步进电机的低频振动。

低频振荡是步进电机(尤其是反应式电机)
的固有特性，而细分是消除它的唯一途径。

如果步进电机有时要在共振区工作
(如走圆弧)，选择细分驱动器是唯一的选择。

步进电机细分驱动的本质是把对绕组的矩形电流波供电改为阶梯形电流波
供电。

要求绕组中的电流以若干个等幅等宽的阶梯上升到额定值，或以同样的
阶梯从额定值下降到零。

虽
然这种驭动电源的结构比
较复杂，但有如卜优点：在
不改变电机内部结构的前
提下，使步进电机具有更小
的步距角、更高的分辨率；
使电机运行平稳，减小或消
除电机振荡、减小噪声。

以三相反应式步进电机
为例，采用磁势转换图直观
分析细分驱动的原理。

对应
于半步工作方一式，状态转换
(a)A--*AB
图2-1 1合成磁势矢量图
青岛科技大学研究生学位论文
表为A-AB--B-BC-C-CA--。

如果将每相绕组电流分为四个等幅等宽的阶梯土
升或下降，则将步进电机的每一步分为四步完成，即对步进电机进行四细分驱
动
初始状态时A相通额定电流，即iA-i,；当第一个CP脉冲到来时，B相不是
马土通额定电流，而只是通额定电流的四分之一，即ix 1/4i,，此时电机的磁势
山A相的i、和B相的1/4i、合成，合成磁势情况如图2-11(b)所示。

当第二个CP
脉冲到来时，A相电流不变，B相电流增大到1/2i,，以此类推。

可见，上述细
分使原来从A状态只需一步变为需四步运行到AB，如图2-11所示。

斩波恒流驱动
以上驱动线路所采取的多种措施，大多只有一个目的，这就是要使导通相
不论在锁定、低频或高频工作时都保持额定值。

斩波恒流驭动方式可较好
地解
决这个问题并提高步进电机的效率和力矩。

斩波型驱动大体上可分为两种：一
种是斩波恒流驱动，另一种是斩波平滑驱动。

较]'一泛应用的是斩波恒流
驱动，
J陌流斩波功放的优点为：
(I)各相斩波频率相同，有效地抑制了因各相斩波频率不同而产生的噪声；
(2)斩波频率高，消除了H频噪声，电机运行时安静无污染；
(3)高频运行时电流平滑，高频性能好；
步进电机细分驱动控制器的研究
(4)斩波频率和脉宽可调，容易调整最佳运行状态：
斩波恒流3a动电路的主回路由高压晶体管、电动机绕组、晶体管串联而成。

与高低压驱动器不同的是，低压管发射极串联一个小的电阻接地，电动机
绕组
的电流经这个小电阴通地，小电阻的压降与电动机绕组电流成正比，所以
这个
电阻称为取样电阻。

斩波恒流驱动原理图如图2-8所示。

Ic,和IC2分别是两个控制门，控制T
和T,两个晶体管的导通和截止。

由环形分配器来的相绕组导通脉冲，送到门IC2
与Ic,中，通过Ic,直接开通晶体管TL，而门IC，除环形分配器来的信号之外，
还有一路信号来自比较器。

比较器的两个输入端，其中之一接给定电平，另一
个接来自取样电阻的电压信号。

在环形分配器导通脉冲到来之前，IC,和IC2都
处于关门状态，输出低电平，TH和TL都截it，取样电阻中无电流流过，反馈到
比较器的输入信号为零，比较器输出高电平。

当环形分配器输出导通信号时，
高电平使Ic，和IC：门打开，输出高电平使TH和TL两管导通，高电压经TH向
电动机绕组供电。

由于电动机绕组有较大电感，所以电流成指数上升，但所加
电压较高，所以电流上升较快。

取样电阻上的电压代表了电流的大小。

当电流
超过所设定值时，比较器输入的取样电压超过给定电压，比较器翻转，输出变
低电平，从而IC,也输出低电平，关断高压管TH。

此时磁场能量将使绕组电流
按原方向继续流动，经由低压管TL,取样电阻、地线、二极管D。

构成的续流回
路消耗磁场的能量。

此时电流将按指数曲线衰减，逐渐下降。

当取样电阻
上得
到的电压小于给定电压时，比较器又翻转回去，输出高电平，打开高压管，电
源又开始向绕组供电，电流又会上升。

如此反复，电动机绕组的电流就稳
定在
由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波。

当环形分配器输出低电
平时，
高低压管都
截III，此时绕
组的续流与
高低压时相
同，经D1,
D2向电源泄
放。

泄放回路
的特点与高
低压马议动时
基本相同。

图2一8斩波恒流驱动原理图
斩波恒流驱动中，由于驭动电压较高，电动机绕组回路又不串电阻，所以
电流上升很决。

当到达所需要的数值时，由于取样电阻反馈控制作用，绕
组电
流可以恒定在确定的数值卜，而且不随电动机的转速而变化，从而保证在
很大
的频率范围内电动机都能输出}陌定的转矩。

在环形分配器所给出的相绕组导通时间内，电源电压并不是直向绕组供
电，而只是一个个的窄脉冲，总的输入能量是各脉冲时间的电压与电流乘
积积
分的总和，与其它几种驰动力一式比较，取自电源的能量大幅度下降。

因此，这
种驭动器有很高的效率。

这种驱动器的另一优点是减少电动机共振现象的发生。

山于电动机共振的
根本原因是能量过剩，而斩波恒流驱动输入的能量是自动随着绕组电流调节。

能量过剩时，续流时间延长，而供电时间减小，因此可减小能量的积聚。

实验
线路的测试表明，用这种驱动器驱动步进电动机，低频共振现象基本消除，在
任何频率下，电动机都可稳定运行。

上述斩波恒流驱动中，斩波频率是由绕组的电感、比较器的回差等诸因素
决定，没有外来的固定频率。

这种斩波电路称为自激式斩波恒流电路，如
果用
其它办法形成固定的频率来斩波，称为他激式。

恒流斩波驱动方式是在专用集成电路中最常用的获得高性能的方式。

通常，
步进电动机使用较高电压电源，使绕组电流几乎以直线上升到预定值，由
电流
检测器控制一个斩波控制电路，关断这绕组的功率开关，绕组电流在续流
回路
中续流并下降，下降至某一设定值或经过某一规定时间后，斩波控制电路
又令
主功率开关接通。

如此反复控制，由功率开关的反复开关对绕组电流进行
斩波
控制，使电流平均值趋向丁维持恒定。

具体控制方法有定频PWM方法或使
用
单稳电路的关断定脉宽方法，这种方式使步进电动机电流的大小和波形是，1]控
的。

如果电流的基准值可以设定和控制，结合后面的内容，也就是通过可
实现
半步、1/4步和微步距控制。

H桥双极性驱动
永磁式步进电机和混合式步进电机的绕组励磁必须使用双极性供电，即励
磁绕组需正反向交错通以电流，这样的绕组需要H桥双极性驱动。

双极性
驱动
的优点除效率高以外，更重要的是可以得到最佳的中低频特性，使保持力
矩恒
定；同时由于驱动器集成化，使其与计算机接曰非常简单，用程序代替复杂的
逻辑控制，因此控制简化易于实现。

步进电机细分驱动控制器的研究
H桥功率集成电路包括有半桥、双半
桥、四半桥、单H桥、双H桥等，功率级
有达林顿晶体管的或DMOS结构的。

它们
都有较完善的基极(或栅极)驱动电路，包
括DMOS上桥臂驱动用充电泵电路，防止
上下桥臂在换向时直通的连锁保护电路；
还有各种对电压、电流、温度的监控保护
电路，从而提高了集成电路的可靠性；它
们有高开关速度，适用于开关型控制方
式。

H桥功率开关常用于可逆直流电动
机、音圈电动机、步进电动机相绕组的双
极性驱动。

半桥功率开关，即推挽式功率
开关可用作这些电动机绕组T型驱动，或
用两个半桥构成一个H全桥，三个半桥可
构成一个三相逆变桥以驱动三相交流电动机。

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绕全目
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图2-9 _，Sl、S4开
一卜S1开
H桥双极性驱动
Fig.2-9 H-bridgeB ipolarD riving
图2-9为H桥双极性驭动的一相
电路。

当要求实现步距角细分时，该方法就不能达到要求了，这时就要引入步
进电机细分技术。

在步进电机细分驱动控制器中，恒流斩波技术和H桥驭动通常是联系在
起的。

其典型的工作过程如下：当步进信号为高电平时，使S.导通，电流经
+Vcc-S]-绕组-S4-R截止。

与后面讲到的细分驱动相结合，这时就可以用
电机电枢采样电阻去采样电机电枢电流，经RC网络转换为电压值后，与D/A
转换器输出的预定IW1值相比较。

如果当前的电流使转换的电压值小于I 值，比
较器输出高电平，保持S,S4导通状态，电源电压全部加在负载上，使负载电
流通过电源-S，一负载~S4-地或电源一S2一负载~S3一地的回路，以指数规律
增加。

接在采样电阻端的阻容网络上的电压值V RA也随之增长；当负载电流增
加到或超过网值电流时，V RA随后也达到网值电压，滞后的时间与阻容网络的
时间常数有关，从而使比较器翻转，触发单稳电路翻转，关断S1，绕组中的电
流经Vcc-D2-绕组-D3-R释放，其大小呈指数规律衰减并趋向于零。

当采用固定关断时间控制方式时，当关断时间到达的时候，则输出开关重
新闭合，电枢电流又呈指数规律增长，重复前面的过程，形成电枢电流的固定
关断时间斩波控制。

}几述过程重复进行，在步进信号为H电平时，可保持绕组
青岛科技大学研究生学位论文
电流在设定值处，波动极小，l_作电流非常平滑，实现恒流斩波作用。

在步进
信号为低电平期间，Si,S4截止，S2,S3导通，绕组电流改换方向，与上述相
同，由S2,S3完成恒流斩波功能。

在传感电流的输出端与地之间加入并行阻容网络，一方面将该电流转化为
电l}信号，与D/A转换器的输出的网值电压相比较，触发斩波过程；另一方Ihi
通过该低通滤波器可以将电流开关噪声的影响滤除。

每相由四只功率晶体管1桥组成双极性驱动方式，使每相绕组双向轮流通电。

双极性驱动方式即当电机绕组中的电流反相时，定子磁通也被反相。

二极管D I-D4为晶体管释放电流提供通路，使晶体管截止时贮存在相绕组
电感里的部分能量返回到电源，缩短晶体管关断时间。

方波发生电路由RT 值确
定其振荡频率，为功率驱动电路提供恒频脉冲信号。

检流电阻RA、基准电服
VRA和比较器A。

组成线圈电流检测电路，目的是控制绕组电流维持在恒定状态。