盛君 劉锏澤 張仰成 張鼐

摘 要：步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)對于提高電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的精確性，起到至關(guān)重要的作用，也是步進(jìn)電機(jī)的步距角進(jìn)行高精度細(xì)分的關(guān)鍵。本文對步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展情況進(jìn)行分析，同時(shí)也講解了可靠性步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動細(xì)分。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；細(xì)分驅(qū)動；幅值

中圖分類號：TM301 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

步進(jìn)電機(jī)是為一種機(jī)電元件，它依靠電脈沖信號對繞組電流進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動。與其他類型的電機(jī)相比較，其優(yōu)勢在于沒有積累誤差以及容易開環(huán)精確控制，因此步進(jìn)電機(jī)廣泛地應(yīng)用在眾多領(lǐng)域中。

步進(jìn)電機(jī)的步距角由于受到制造工藝的影響一般情況下都比較大，而且還存在著低頻振動。使用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)有效地減少了步進(jìn)電機(jī)步距角。通過這項(xiàng)技術(shù)在一定程度上可以降低步進(jìn)電機(jī)的步距角，同時(shí)還可以增強(qiáng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度、電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及電機(jī)控制的靈活性等。

1 頻脈寬調(diào)制細(xì)分驅(qū)動

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動是受到電機(jī)的繞組電流影響的，電機(jī)會受到固定規(guī)律的影響，呈現(xiàn)出降壓或升壓，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的中間電流從零到最大相當(dāng)前狀態(tài)。恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分技術(shù)依據(jù)可變細(xì)分控制原理產(chǎn)生相應(yīng)的階梯波，恒流階段采用定頻脈寬調(diào)制，這樣就能使功率管工作在開關(guān)的狀態(tài)。采用這種控制模式，在一定程度上不僅能夠降低可變細(xì)分功率管的損耗，又能夠避免由于計(jì)算時(shí)間長，數(shù)字細(xì)分脈寬調(diào)制不易實(shí)現(xiàn)的問題。

恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分技術(shù)的工作原理，其中，Vref 代表的是階梯波細(xì)分參考信號， PMW 代表的是脈寬調(diào)制信號， Va 代表的是相序信號， Vb 代表的是電流反饋信號，Vk 代表的是細(xì)分電路輸出中的控制信號。

以其中一個(gè)階梯為例來簡要說明頻脈寬細(xì)分驅(qū)動原理，首先單片機(jī)要輸出 PWM 斬波信號，當(dāng)輸出的斬波信號上升時(shí)，邏輯控制電路就會開放，相應(yīng)的 T1 和 T2 功率管就會導(dǎo)通，繞組中的電流此時(shí)就會上升。采樣電流信號經(jīng)過放大處理之后產(chǎn)生的反饋信號 Vb 就會加到細(xì)分電路上，這時(shí)候繞組電流開始上升，其中Vref < Vb ，則Vk 為高電平，T1和 T2 功率管則會繼續(xù)導(dǎo)通；當(dāng)繞組電流繼續(xù)升高到一定的值，即 Vref < Vb 時(shí)，Vk 為低電平，此時(shí)T1和 T2功率管則會中斷，邏輯控制電路也會被封鎖。繞組中的能量就會全部通過D1和D2回到電源中去，這樣就會使繞組中的電流快速下降。當(dāng)Vref >Vb 時(shí)，Vk 則又變成了高電平，當(dāng)定頻 PMW 信號上升沿到來的時(shí)候，就會重新被開放，同時(shí)T1和T2 功率管會重新被導(dǎo)通，這樣不斷地重復(fù)下去。

雖然恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分技術(shù)能夠在一定程度上提高定位的精度，并且還能對低頻振蕩進(jìn)行克制，在提高效率的同時(shí)還能夠消除差頻噪聲，但是該技術(shù)只是簡單地對電機(jī)繞組電流進(jìn)行控制，這樣就會導(dǎo)致細(xì)分之后的步角距不均勻，這樣就嚴(yán)重限制了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍，單片機(jī)是目前步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的主要手段。

2 細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

對步進(jìn)電機(jī)而言，合成的磁場的矢量幅值會對旋轉(zhuǎn)的力矩產(chǎn)生決定性的影響，決定著其力矩的大小。兩個(gè)相鄰合成磁場的矢量夾角即為步距夾角大小的關(guān)鍵所在。要想對步進(jìn)電機(jī)的恒力矩進(jìn)行均勻的細(xì)分及控制，就必須對步進(jìn)電機(jī)的吊機(jī)繞組的電流進(jìn)行精確控制。一般來說通過對電流的控制來達(dá)到控制電機(jī)合成磁場幅值的作用，可保證合成磁場幅值的穩(wěn)定，并且各個(gè)沒沖的磁場角度都是均勻變化的，其細(xì)分方式通常僅僅改變其中某一相電流，本文以混合步進(jìn)電機(jī)舉例，其距角的關(guān)系如圖1所示。

A相和B相的繞組以TA及TB為單獨(dú)額定電流的磁場矢量，TBn為第n細(xì)分步，B相繞組電流的磁場，以A相為參照相，TA及TB間夾角以記為θ，αn為n細(xì)分步磁場的偏離參考點(diǎn)角度，TN為單相額定電流時(shí)轉(zhuǎn)矩。

這種方式有一種顯著的缺陷，即電流合成矢量幅值并非是穩(wěn)定不變的，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩同樣會跟著其值的變化而變化，這樣就導(dǎo)致了電流矢量的幅值在運(yùn)行中的穩(wěn)定性不足，運(yùn)轉(zhuǎn)不是很穩(wěn)定，造成滯后角的變化。若細(xì)分?jǐn)?shù)大到臨界值，而步距角又達(dá)到小的臨界值時(shí)，會早抽滯后角差值△遠(yuǎn)比所實(shí)際需要的細(xì)分步距要小，而此時(shí)步距的細(xì)分也就失去了原本存在的意義，導(dǎo)致細(xì)分?jǐn)?shù)量大量增加。而對此類狀況，應(yīng)當(dāng)盡量對滯后進(jìn)行抵消，盡量使其在電流及矢量的幅度在最大程度上保持一致。

IA及IB用以表示A、B繞組電流，Im則為電流的幅值，α為轉(zhuǎn)子的偏離角度大小。由于模型中的電流的恒力矩是永遠(yuǎn)細(xì)分且不會發(fā)生變化的，所以電機(jī)和轉(zhuǎn)矩的角度、電機(jī)的非線性運(yùn)動均是一種接近函數(shù)的非常準(zhǔn)確的形狀。TB和α，的函數(shù)關(guān)系，也能夠依照步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩T-I來表示，也就可以求出I-α的曲線，通過對點(diǎn)擊的I-α曲線進(jìn)行分析，電機(jī)的步距就能夠用線性和正余弦來疊加求解。

K1為電流依照α的變化狀態(tài)，K2是正弦及線性之間的固定關(guān)系，由于線性和正弦的規(guī)律正好可以體現(xiàn)出電機(jī)的非線性相關(guān)，波形具有均勻性特點(diǎn)所以能夠起到細(xì)分步距的作用，且這種細(xì)分非常均勻。在實(shí)踐當(dāng)中，不相同的電機(jī)可以通過對 K2進(jìn)行調(diào)整使線性及正弦之間的分量達(dá)到所需比例。

以A和B來代表繞組中n細(xì)分中的電流的數(shù)據(jù)變化；M代表細(xì)分出的倍數(shù)；n則表示細(xì)分的步驟編號，取值為0及以上的整數(shù)，M、Z、K均為常數(shù)；若Z=255；0

結(jié)語

對于步進(jìn)電機(jī)高頻出力不足的問題和低頻振蕩等問題，細(xì)分驅(qū)動技術(shù)可以進(jìn)行改進(jìn)，大幅提高了步進(jìn)電機(jī)的性能。該技術(shù)不僅能夠在一定程度上減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，而且還在一定程度上增強(qiáng)了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度、電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及電機(jī)控制的靈活性等。

參考文獻(xiàn)

[1]張靖.步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器的研究[D].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003.

[2]雷凱. 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的研究[D].蘇州大學(xué)， 2003.

[3] 孫勝利.步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動獲得均勻步距的方法研究[J]. 微特電機(jī)， 1998（5）：22-24.

[4] 李智強(qiáng)， 周杰， 任勝杰.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動控制系統(tǒng)[J]. 機(jī)電工程， 2007， 24（7）：67-69.