脈寬調(diào)制_PWM_實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動技術(shù)

1、脈寬調(diào)制（PWM）實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動技術(shù)時念科 吳美蓮（山東工貿(mào)職業(yè)學(xué)院 籌備處 山東 鄒城 273500）摘 要： 步進(jìn)電機(jī)作為一種控制電機(jī)，其控制精度（分辨率）取決于步距角的大小，單純地靠機(jī)械手段降低其步距角是有限的。常采用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)。著重介紹脈寬調(diào)制（PWM）實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，該技術(shù)不僅可以提高步進(jìn)電機(jī)的分辨率，還可以克服步進(jìn)電機(jī)在低速時易出現(xiàn)的低頻振動現(xiàn)象。關(guān)鍵詞： 步進(jìn)電機(jī)；步距角；矩角特性；脈寬調(diào)制（PWM）；細(xì)分驅(qū)動中圖分類號：TP275 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：16717597（2011）0910039010 前言步進(jìn)電機(jī)作為控制電機(jī)，在機(jī)電一體化系統(tǒng)的執(zhí)行裝

2、置中有獨(dú)特的應(yīng)用，該電機(jī)的控制精度（分辨率）取決于其步距角的大小，步距角越小，分辨率也越高。由于步距角=3600/KMZ，（其中K為供電方式，三拍供電：K=1；六拍供電：K=2；M為定子相數(shù)；Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)）。受機(jī)械加工技術(shù)的限制，定子的相數(shù)和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)都是有限的，所以步進(jìn)電機(jī)的步距角就不可能無限小，一般為幾分到幾十度。另外，步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，其振動頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，共振時易造成設(shè)備損壞等嚴(yán)重情況，并伴有刺耳的嘯叫聲。為改善步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量和提高分辨率，常采用在電機(jī)上加阻尼器或在驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)，本文就步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動技術(shù)作簡單介紹。1 步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分

3、驅(qū)動技術(shù)原理步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動控制就是通過脈寬調(diào)制（PWM），對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動脈沖進(jìn)行細(xì)分，將一個脈沖驅(qū)動信號細(xì)分為若干個小的脈沖，這樣各相繞組中電流就按設(shè)定的規(guī)律階梯上升和下降，從而獲得相電流從最小到最大的多個中間穩(wěn)定狀態(tài)，各相的合成磁場也就有多個穩(wěn)定的中間狀態(tài)，轉(zhuǎn)子就按這些中間狀態(tài)以微步距轉(zhuǎn)動。1.1 首先介紹步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)特性距角特性靜態(tài)特性是指步進(jìn)電機(jī)繞組電流為恒定值，轉(zhuǎn)子靜止不轉(zhuǎn)時表現(xiàn)出的機(jī)械特性，也叫矩角特性?？蛰d時，當(dāng)且僅當(dāng)某相通電并保持，此時，轉(zhuǎn)子相應(yīng)的齒與該相定子對齊，這時轉(zhuǎn)子不輸出電磁轉(zhuǎn)矩。但如果此時轉(zhuǎn)子承受一負(fù)載轉(zhuǎn)矩，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子的齒和定子的相之間就會偏轉(zhuǎn)一個角

4、度，這個偏轉(zhuǎn)角叫失調(diào)角，轉(zhuǎn)子負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，失調(diào)角就越大，此時，步進(jìn)電機(jī)就會產(chǎn)生一個電磁轉(zhuǎn)矩與這一負(fù)載轉(zhuǎn)矩抗衡，以求達(dá)到新的平衡。所以，矩角特性就是在單位脈沖、電流均不變的情況下，步進(jìn)電動機(jī)靜轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子失調(diào)角的關(guān)系，步進(jìn)電動機(jī)靜轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子失調(diào)角的關(guān)系曲線叫矩角特性曲線。在某一通電方式下各相矩角特性總和稱為矩角特性族，通常矩角特性族的每一條曲線依次錯開，單三拍供電時相位差是s=2/m，六拍供電時s=/m，由以上分析可知，要使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個步距角，矩角特性族相臨兩相相位差必須大于電步距角。兩曲線的交點(diǎn)所表示的轉(zhuǎn)矩就是步進(jìn)電動機(jī)的最大啟動轉(zhuǎn)矩。只要負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于該轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)就可以啟動。如果電動機(jī)

5、相數(shù)增加，步距角就減小，兩條曲線的交點(diǎn)對應(yīng)的啟動轉(zhuǎn)矩就增大，要求的啟動轉(zhuǎn)矩也就相應(yīng)大。1.2 步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)特性大家知道，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與繞組電流有關(guān)，步進(jìn)電動機(jī)控制電流的增加與轉(zhuǎn)速的升高需要一個過渡時間，這是步進(jìn)電動機(jī)的性質(zhì)所決定的，動態(tài)特性就是研究這個過渡時間多電動機(jī)運(yùn)行的影響。步進(jìn)電動機(jī)一般用于開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，所以，要保證步進(jìn)電動機(jī)的控制精度，就必須處理好其升、降速的問題。如果控制脈沖的時間間隔大于步進(jìn)電動機(jī)的過渡時間，電動機(jī)呈步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)控制脈沖的時間間隔適當(dāng)小于電動機(jī)的過渡時間，在A相通電狀態(tài)下，其轉(zhuǎn)子還沒有

6、減速到穩(wěn)定平衡點(diǎn)以前，A相就斷電同時B相通電，則轉(zhuǎn)子將繼續(xù)按原方向轉(zhuǎn)動，這種狀態(tài)稱為步進(jìn)電動機(jī)的連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。但如果控制脈沖的時間間隔遠(yuǎn)小于電動機(jī)的過渡時間，則電動機(jī)會出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，步進(jìn)電動機(jī)失去運(yùn)行工作能力。2 脈寬調(diào)制（PWM）原理脈寬調(diào)制（PWM）細(xì)分驅(qū)動是利用大功率晶體管的開關(guān)特性對固定的直流電壓進(jìn)行調(diào)制。通過對晶體管的基極的觸發(fā)控制，使晶體管的集電極和發(fā)射極之間按一定的頻率“接通”（飽和導(dǎo)通）和“斷開”（關(guān)斷截止），并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)”“接通”和“斷開”時間長短，從而改變電壓的“占空比”，也就是改變脈沖的寬度。脈沖寬度的改變也就是電動機(jī)兩端的平均電壓發(fā)生改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)速

7、。脈寬調(diào)制（PWM）控制原理：控制可控開關(guān)按一定的時間間隔重復(fù)地接通和斷開。當(dāng)開關(guān)接通時，電路接通，供電電源通過開關(guān)施加到電動機(jī)兩端；當(dāng)開關(guān)斷開時，中斷了供電電源，電動機(jī)兩端電壓是零。在開關(guān)一次接通和斷開的時間周期內(nèi)，電動機(jī)兩端的平均電壓等于這兩個電壓的平均值。從圖中可以看出，只要改變開關(guān)在一個周期內(nèi)接通或斷開的時間，即可改變脈沖寬度，從而改變電動機(jī)兩端的電壓以調(diào)整速度。亦即脈寬調(diào)制。步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分驅(qū)動控制的關(guān)鍵是用什么樣的細(xì)分電流波形來控制步進(jìn)電動機(jī)各相繞組中的電流，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制的硬件一般采用DSP芯片的PWM口來實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)，例如要實(shí)現(xiàn)二相四拍的8倍細(xì)分，其實(shí)現(xiàn)原理框圖如下：上圖中8路PW

8、M輸出被接口驅(qū)動放大器放大后，分別用于驅(qū)動8各MOS管，其中二/四相步進(jìn)電動機(jī)的AA被接在一路。電流的細(xì)分是通過加在電動機(jī)兩端的電壓細(xì)分實(shí)現(xiàn)的，而電壓的細(xì)分是通過脈寬調(diào)制（PWM）實(shí)現(xiàn)的，也就是設(shè)定一定的“占空比”。由上圖的控制過程知，當(dāng)Q1Q4高電平，Q2Q3低電平時是A相電流。當(dāng)Q1Q4低電平，Q2Q3高電平時是A相電流。BB相電流的接法與此相同。對于上述的硬件實(shí)現(xiàn)方案，DSP芯片的控制程序也很容易實(shí)現(xiàn)，只要算出電流分配系數(shù)，而后再換算到電壓占空比就可實(shí)現(xiàn)。3 結(jié)束語本文從理論上對步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動控制作了簡單的闡述，此方法既能降低步進(jìn)電動機(jī)低頻運(yùn)行時的振動和噪音，又能方便地細(xì)分步進(jìn)電動機(jī)的步距角，提高了步進(jìn)電動機(jī)的控制精度。參考文獻(xiàn)：1趙先仲主編，機(jī)電一體化系統(tǒng)，北京：高等教育出版社