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步进电 机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构。其主要优点是有较高的定位精度，无位置累积误差；*的开环运行机制，与闭环控制系统相比降低了系统成本，提高了可靠性，在数控领域得到了广泛的应用。但是， 步进电 机在低速运行时的振动、噪声大，在 步进电 机的自然振荡频率附近运行时易产生共振，且输出 转矩 随着 步进电 机的转速升高而下降，这些缺点限制了 步进电 机的应用范围。 步进电 机的性能在很大程度上取决于所用的 驱动 器，改善 驱动 器的性能，可以显著地提高 步进电 机的性能，因此研制高性能的 步进电 机 驱动 器是一项普遍关注的课题。

1 步进电 机 驱动 控制系统概述： 步进电机驱动器、步进电机控制、步进电机控制

通常情况下， 步进电 机 驱动 系统由 3 部分构成：
① 控制电路。用于产生脉冲，控制电机的速度和转向。
② 驱动 电路。即本文的研究内容，由图 1 所示的脉冲信号分配和功率 驱动 电路组成。根据控制器输入的脉冲和方向信号，为 步进电 机各绕组提供正确的通电顺序，以及电机需要的高电压、大电流；同时提供各种保护措施，比如过流、过热等。
③ 步进电 机。控制信号经 驱动 器放大后 驱动 步进电 机，带动负载。

2 步进电 机 驱动 方法的比较： 机械雕刻机步进电机驱动器、 打标机步进电机驱动器
2 ． 1 恒电压 驱动 方式： 步进马达驱动器、步进马达控制、步进马达驱动
2 ． 1 ． 1 单电压 驱动 ： 雕刻机步进电机驱动器、三相混合步进电机驱动器
单电压 驱动 是指在电机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。如图 2 所示， L 为电机绕组， VCC 为电源。当输入信号 In 为高电平时，提供足够大的基极电流使三极管 T 处于饱和状态，若忽略其饱和压降，则电源电压全部作用在电机绕组上。当 In 为低电平时，三极管截止，绕组无电流通过。

为使通电时绕组电流迅速达到预设电流，串入电阻 Rc ；为防止关断 T 时绕组电流变化率太大，而产生很大的反电势将 T 击穿，在绕组的两端并联一个二极管 D 和电阻 Rd ，为绕组电流提供一个泄放回路，也称 “ 续流回路 ” 。
单电压功率 驱动 电路的优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入电阻后，功耗加大，整个功率 驱动 电路的效率较低，仅适合于 驱动 小功率 步进电 机。
2 ． 1 ． 2 高低压 驱动
为了使通电时绕组能迅速到达设定电流，关断时绕组电流迅速衰减为零，同时又具有较高的效率，出现了高低压 驱动 方式。
如图 3 所示， Th 、 T1 分别为高压管和低压管， Vh 、 V1 分别为高低压电源， Ih 、 I1 分别为高低端的脉冲信号。在导通前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。高低压 驱动 可获得较好的高频特性，但是由于高压管的导通时间不变，在低频时，绕组获得了过多的能量，容易引起振荡。可通过改变其高压管导通时间来解决低频振荡问题，然而其控制电路较单电压复杂，可靠性降低，一旦高压管失控，将会因电流太大损坏电机。
2 ． 2 恒电流斩波 驱动 方式： 刻字机步进电机驱动器、喷绘机步进电机驱动器
2 ． 2 ． 1 自激式恒电流斩波 驱动 ： 线切割步进电机驱动器、写真机步进电机驱动器
图 4 为自激式恒电流斩波 驱动 框图。把 步进电 机绕组电流值转化为一定比例的电压，与 D ／ A 转换器输出的预设值进行比较，控制功率管的开关，从而达到控制绕组相电流的目的。从理论上讲，自激式恒电流斩波 驱动 可以将电机绕组的电流控制在某一恒定值。但由于斩波频率是可变的，会使绕组激起很高的浪涌电压，因而对控制电路产生很大的干扰，容易产生振荡，可靠性大大降低。

2 ． 2 ． 2 它激式恒电流斩波 驱动 ： 包装机步进电机驱动器、印刷机步进电机驱动器
为了解决自激式斩波频率可变引起的浪涌电压问题，可在 D 触发器加一个固定频率的时钟。这样基本上能解决振荡问题，但仍然存在一些问题。比如：当比较器输出的导通脉冲刚好介于 D 触发器的 2 个时钟上升沿之间时，该控制信号将丢失，一般可通过加大 D 触发器时钟频率解决。
2 ． 3 细分 驱动 方式： 步进电机细分、步进电机电路、步进电机控制卡、步进电机及驱动器
这是本文讨论的重点，也是该系统采用的 驱动 方法。细分 驱动 zui主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出 转矩 ；其次，减弱或消除了 步进电 机的低频振动，降低了 步进电 机在共振区工作的几率。可以说细分 驱动 技术是 步进电 动机 驱动 与控制技术的一个飞跃。
细分 驱动 是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分 驱动 时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。比如：电流分成 n 个台阶，转子则需要 n 次才转过一个步距角，即 n 细分，如图 5 所示。

一般的细分方法只改变某一相的电流，另一相电流保持不变。如图 5 所示，在 O° ～ 45° ， Ia 保持不变， Ib 由 O 逐级变大；在 45° ～ 90° ， Ib 保持不变， Ia 由额定值逐级变为 0 。该方法的优点是控制较为简单，在硬件上容易实现；但由图 6 所示的电流矢量合成图可知，所合成的矢量幅值是不断变化的，输出力矩也跟着不断变化，从而引起滞后角的不断变化。当细分数很大、微步距角非常小时，滞后角变化的差值已大于所要求细分的微步距角，使得细分实际上失去了意义。
这就是目前常用的细分方法的缺陷，那么有没有一种方法让矢量角度变化时同时保持幅值不变呢 ? 由上面分析可知，只改变单一相电流是不可能的，那么同时改变两相电流呢 ? 即 Ia 、 Ib 以某一数学关系同时变化，保证变化过程中合成矢量幅值始终不变。基于此，本文建立一种 “ 额定电流可调的等角度恒力矩细分 ” 驱动 方法，以消除力距不断变化引起滞后角的问题。如图 7 所示，随着 A 、 B 两相相电流 Ia 、 Ib 的合成矢量角度不断变化，其幅值始终为圆的半径。

下面介绍合成矢量幅值保持不变的数学模型：当 Ia=Im·cosx ， Ib=Im·sinx 时 （ 式中 Im 为电流额定值， Ia 、 Ib 为实际的相电流， x 由细分数决定 ） ，其合成矢量始终为圆的半径，即恒力距。
等角度是指合成的力臂每次旋转的角度一样。额定电流可调是指可满足各种系列电机的要求。例如， 86 系列电机的额定电流为 6 ～ 8 A ，而 57 系列电机一般不超过 6 A ， 驱动 器有各种档位电流可供选择。细分为对额定电流的细分。
为实现 “ 额定电流可调的等角度恒力距 ” ，理论上只要各相相电流能够满足以上的数学模型即可。这就要求电流控制精度非常高，不然 Ia 、 Ib 所合成的矢量角将出现偏差，即各步步距角不等，细分也失去了意义。下面给出了基于该 驱动 方法的 驱动 器的设计方案。

3 二相 步进电 机 驱动 器的总体设计方案
3 ． 1 系统设计框图
如图 8 所示，控制板信号经过光耦隔离与单片机中断口相连。

单片机根据收到的脉冲信号进行脉冲信号分配，确定各相通电顺序，并与 CPLD 里面的 D 触发器相连；同时根据用户设定的电流值和细分数通过 SPI 口与 D ／ A 转换器 AD5623 通信，得到设定的电流值 （ 实际上是电流对应的电压值 ） 。
    AD5623 输出的值为期望的电流对应的电压值，它必须与从功率模块检测得到的电流对应的电压值进行比较，并把比较结果与 CPLD 里面的 D 触发器 CLR 引脚相连。
    CPLD 与电流、细分设定的拨码开关相连，把得到的值通过 SPI 口传给单片机；以 D 触发器为核心的控制逻辑，根据单片机的各相通电顺序和比较器 MAX907 的比较结果确定各功率管的开关。
功率 驱动 模块直接与电机相连， 驱动 电机。采用 8 个 MOS 管 IRF740 构成 2 个 H 桥双极型 驱动 电路。 IRF740 zui高可承受 400 V 电压和 10 A 电流，开关转换时间不会超过 51 ns ，管子导通电压 Vgs 的取值范围为 4 ～ 20 V 。
3 ． 2 细分关键技术方案
“ 额定电流可调的等角度恒力矩细分 ” 驱动 方法的实质是恒流控制，关键是电流的精确控制，必须同时满足以下各个条件：

① D ／ A 转换器输出的电流值必须与期望值相当接近，而且转换速度要快。该系统采用 ADI 公司的 AD5623 ， 12 位精度，分成 4 096 个等级，满足了 200 细分的高精度要求； 2 路 D ／ A 输出满足两相的要求； SPI 口通信，频率高达 50 MHz ，建立时间快，同时单电压供电，连接简单。
② 检测到的电流必须能正确地反映此时的相电流。由于电机的相电流通常很大，电压很高，检测有一定的难度。常用的检测方法有外接标准小电阻，电路简单，但干扰比较大，准确性比较差；霍尔传感器检测准确，干扰小，连接也不复杂，所以该 驱动 器采用霍尔传感器。
③ 比较器分辨率要高，转换速度快。 MAX907 的建立时间只需 12 ns ，比较的电压只要相差 2 mV 即可检测出来 （ zui大不超过 4 mV） ，反应非常灵敏。
④ 控制功率管开关的逻辑电路要有很高的实时性，保证相电流在设定电流上下做很小的波动，以免引起浪涌，干扰控制电路。
本文采用 Xilinx 公司的 CPLD 芯片 XC9572 。以 D 触发器为核心的控制电路全部由 CPLD 完成， CPLD 代替了各种分立元器件，结构简单，连接方便。图 9 是控制电路的逻辑图。

如图 9 所示，当比较结果为低电平时 （ 检测到的电流大于设定电流 ） ， D 触发器输出为 1 ，或门输出高电平，关断管子，电流变小；当检测到电流小于设定电流时，管子导通，从而保证相电流在设定电流上下做很小的波动。

结 语
本文建立了 “ 额定电流可调的等角度恒力矩细分 ” 驱动 方法，并基于该方法设计实现了二相混合式 步进电 机 驱动 器，zui高可达 200 细分， 驱动 电流从 O ． 5 A ／相到 8 A ／相可调，可 驱动 24 系列到 86 系列的 步进电 机。实际应用证明，该方法基本上克服了传统 步进电 机低速振动大和噪声大的缺点，电机在较大速度范围内 转矩 保持恒定，提高了控制精度，减小了发生共振的几率，具有很好的稳定性、可靠性和通用性，且结构简单。