步進電機的驅動技術

1、步進電機的驅動技術徐孝同(安徽雷鳴科化股分有限公司 , 安徽 淮北 235000摘 要 :闡述了步進電機的驅動原理 , 介紹了恒流斬波 、 脈寬調制及細分驅動等步進電機驅動電路的結構設計方法 和設計中的相關技術 , 并給出了實現(xiàn)方案 。關鍵詞 :步進電機 ; 恒流斬波 ; 脈寬調制 ; 細分驅動 ; 單片機 中圖分類號 :TM32 文獻標識碼 :A 文章編號 :1008-8725(2004 08-0015-020 引言作為一種把數(shù)字電脈沖信號轉換成機械角位移的機電 元件 , 步進電機具有控制簡單 、 價格低 、 維護容易 、 定位精度 高 、 無累積位置誤差 、 可自鎖 、 控制成本低等特點而

2、得到廣泛 應用 。 但步進電機的性能依賴于驅動電路的控制方式 。因 此 , 研制性能優(yōu)良的步進電機驅動器及智能化控制系統(tǒng)非常 必要 , 而其目前在許多控制范圍內仍是一個棘手的問題 。因 此 , 本文就是想通過對步進電機控制方法的分析和研究 , 尋 求制作和設計步進電機控制器的方法 , 以便做出滿足工業(yè)和 科研需要的步進電機控制器 。1 脈寬調制驅動原理脈寬調制方式是一種供電電壓比電機額定供電電壓高 得多的情況下而采用斬波方式使電動機繞組電流從低速到 高速運行范圍內保持恒定的一種驅動方式 , 其工作原理如圖 1所示 。 工作中 , 由單片機或環(huán)形分配器送來的步進電機脈 沖控制信號與 V P W

3、M 端輸入的 PW M 脈沖寬度調制信號相與 , 則在與門 Y 的輸出端產生受控于 V I N 的間歇脈沖序列 Vb , 這 個脈沖序列使功放管 T 處于高頻開關狀態(tài) , 從而在步進電機 的繞組上產生如圖 2所示的電流 I L 。通過改變該脈沖序列 的占空比或電源電壓則可改變繞組中穩(wěn)態(tài)電流的大小 。 當 T 關斷時 , 繞組電流經 Rd ,D 構成泄放回路續(xù)流 12。圖 1 脈寬調制驅動原理圖圖 2 繞組電流圖高頻脈沖序列脈寬的減小可以粗略地認為等效于電源 電壓的減小 , 但是它對應的電流波形并不如純粹的低壓功放 電路那樣上升緩慢 , 因它具有較好的高頻特性 , 從而不會在電流上升的時間內產生

4、過量的能量 , 使電機運行平穩(wěn)得多 , 有效地抑制了低頻共振現(xiàn)象 , 因此該電路又稱為斬波平滑功 放電路 。該電路的另一個特點是效率的提高尤其明顯 , 在輸出功 率相同的情況下 , 斬波平滑功放只需普通單電壓功放電路大 約一半的輸入功率 。2 細分驅動方式211 細分原理分析步進電機驅動線路 , 如果按照環(huán)形分配器決定的分配方 式 , 控制電動機各相繞組的導通或截止 , 從而使電動機產生 步進所需的旋轉磁勢拖動轉子步進旋轉 , 則步距角只有二 種 , 即整步工作或半步工作 , 步距角已由電機結構所確定 。 如果要求步進電機有更小的步距角 , 更高的分辨率 , 或者為 了電機振動 、 噪聲等原因

5、 , 可以在每次輸入脈沖切換時 , 只改 變相應繞組中額定的一部分 , 則電機的合成磁勢也只旋轉步 距角的一部分 , 轉子的每步運行也只有步距角的一部分 。這 里 , 繞組電流不是一個方波 , 而是階梯波 , 額定電流是臺階式 的投入或切除 , 電流分成多少個臺階 , 則轉子就以同樣的次 數(shù)轉過一個步距角 , 這種將一個步距角細分成若干步的驅動 方法 , 稱為細分驅動 。 在國外 , 對于步進系統(tǒng) , 主要采用二相 混合式步進電機及相應的細分驅動器 。但在國內 , 廣大用戶 對 “ 細分” 還不是特別了解 , 有的只是認為 , 細分是為了提高 精度 , 其實不然 , 細分主要是改善電機的運行性

6、能 。由于細 分驅動器要精確控制電機的相電流 , 所以對驅動器要有相當 高的技術要求和工藝要求 , 成本亦會較高 3。圖 3給出了三相步進電機八細分時的各相電流狀態(tài) 。 由于各相電流是以 14的步距上升或下降的 , 原來一步所轉 過的角度 將由八步完成 , 實現(xiàn)了步距角的八細分 。由此可 見 , 步進電機細分驅動的關鍵在于細分步進電機各相勵磁繞 組中的電流 。圖 3 電流狀態(tài)圖212 步進電機細分驅動電路為了對步進電機的相電流進行控制 , 從而達到細分步進 電機步距角的目的 , 人們曾設計了很多種步進電機的細分驅 動電路 。 隨著微型計算機的發(fā)展 , 特別是單片計算機的出 現(xiàn) , 為步進電機的

7、細分驅動帶來了便利 。目前 , 步進電機細 分驅動電路大多數(shù)都采用單片微機控制 , 它們的構成框圖如 圖 4所示 。 單片機根據(jù)要求的步距角計算出各相繞組中通 過的電流值 , 并輸出到數(shù)模轉換器 (D A 中 , 由 D A 把數(shù)字量 轉換為相應的模擬電壓 , 經過環(huán)形分配器加到各相的功放電 路上 , 控制功放電路給各相繞組通以相應的電流 , 來實現(xiàn)步 進電機的細分 。 單片機控制的步進電機細分驅動電路根據(jù) 末級功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開關型兩種 (見下圖 5 46。收稿日期 :2004-04-08; 修訂日期 :2004-06-03作者簡介 :徐孝同 (1973- , 男 , 安徽淮北

8、人 , 助理工程師 , 一直從事機電技術管理工作 。第 23卷第 8期 2004年 8月 煤 炭 技 術 C oal T echnology V ol 123,N o 18Aug ,2004QJ Z 2-3001140S 型起動器控制回路的線路改進 桑淑麗(安徽省宿州市桃園煤礦 , 安徽 宿州 234116摘 要 :通過對 Q J Z 2 3001140S 本安型雙保護真空磁力起動器控制回路進行改進 , 使它作為采煤工作面總控制開 關 , 從而保證煤礦電氣設備安全可靠的運行 。關鍵詞 :啟動器 ; 控制回路 ; 改進中圖分類號 :TM57 文獻標識碼 :A 文章編號 :1008-8725(20

9、04 08-0016-020 前言煤礦 采 煤 工 作 面 刮 板 輸 送 機 總 控 制 開 關 往 往 采 用 DW80 350饋電開關 。 DW80 350饋電開關以其重量輕 、 調 節(jié)簡單 、 瓦斯斷電控制回路控制停送電方便而倍受廣大采區(qū) 電工喜愛 , 很多采掘工作面均采用此饋電開關作為總控制開 關 。 但是按照 煤礦安全規(guī)程 第 456條規(guī)定 “井下配電網絡 均應裝設過流 、 短路保護裝置 ” ,DW80 350饋電開關不 能滿足 煤礦安全規(guī)程 需要 , 在保證電氣設備更安全的要求 下 , 徐州煤礦機械廠生產的 Q J Z2 3001140S 本安型雙保護 真空磁力起動器適合作采煤工

10、作面刮板輸送機總控制開關 。 因為該啟動器采用雙重化電子綜合保護電路 , 具有失壓 、 短 路 、 過載 、 漏電閉鎖 、 斷相保護以及短路能力閉鎖保護 , 并且 具有過載 、 漏電 、 斷相 、 過流 、 短路 、 電源 、 運行顯示 。圖 4 推圖圖 5 步進電機細分驅動電路放大型步進電機細分驅動電路中末級功放管的輸出電流直接受單片機輸出的控制電壓控制 , 電路較簡單 , 電流的控制精度也較高 , 但是由于末級功放管工作在放大狀態(tài) , 使功放管上的功耗較大 , 發(fā)熱嚴重 , 容易引起晶體管的溫漂 , 影響驅動電路的性能 。 甚至還可能由于晶體管的熱擊穿 , 使電路不能正常工作 。因此該驅動

11、電路一般應用于驅動電流較小 、 控制精度較高 、 散熱情況較好的場合 。開關型步進電機細分驅動電路中的末級功放管工作在開關狀態(tài) , 從而使得晶體管上的功耗大大降低 , 克服了放大型細分電路中晶體管發(fā)熱嚴重的問題 。但電路較復雜 , 輸出的電流有一定的波紋 。因此該驅動電路一般用于輸出力矩較大的步進電機的驅動 。隨著大輸出力矩步進電機的發(fā)展 , 開關型細分驅動電路近年 來得到長足的發(fā)展 。 目前 , 最常用的開關型步進電機細分驅 動電路有斬波式和脈寬調制 (PW M 式兩種 。斬波式細分驅 動電路的基本工作原理是對電機繞組中的電流進行檢測 , 和 D A 輸出的控制電壓進行比較 , 若檢測出的電

12、流值大于控制 電壓 , 電路將使功放管截止 , 反之 , 使功放管導通 。這樣 ,D A 輸出不同的控制電壓 , 繞組中將流過不同的電流值 。脈寬調 制式細分驅動電路是把 D A 輸出的控制電壓加在脈寬調制 電路的輸入端 , 脈寬調制電路將輸入的控制電壓轉換成相應 脈沖寬度的矩形波 , 通過對功放管通斷時間的控制 , 改變輸 出到電機繞組上的平均電流 。由于電機繞組是一個感性負 載 , 對電流有一定的波波作用 , 而且脈寬調制電路的調制頻 率較高 , 一般大于 20kH z , 因此 , 雖然是斷續(xù)通電 , 但電機繞 組中的電流還是較平穩(wěn)的 。 和斬波式細分驅動電路相比 , 脈 寬調制式細分驅

13、動電路的控制精度高 , 工作頻率穩(wěn)定 , 但線 路較復雜 。 因此 , 脈寬調制式細分驅動電路多用于綜合驅動 性能要求較高的場合 。3 結論該論文闡述了步進電機驅動器的設計方法和技術 , 讀者 根據(jù)它可以設計出符合控制要求的高性能的步進電機驅動 器 。 步進電機驅動器廣泛用于工礦企業(yè)中的數(shù)控電子設備 的精確開環(huán)控制 , 以滿足工業(yè)自動化要求 。參考文獻 :1 李朝清 1單片機原理及接口技術 M1北京 :北京航空航天大 學出版社 ,199212 劉寶廷 1步進電動機及其驅動控制系統(tǒng) M1哈爾濱 :哈爾濱 工業(yè)大學出版社 ,199713 王季秩 1電機實用技術 M1上海 :上?？茖W出版社 ,199

14、81 4 李華 1MCS 51系列單片機實用接口技術 M1北京 :北京航空 航天大學出版社 ,200015 戴梅萼 1微機計算機技術及應用 M1北京 :清華大學出版社 , 198616 劉愛和 . 步進電機新型恒流驅動電流 J.微特電機 ,1992, (5 . Driving technique of stepper motorX U X iao -tong(Leiming Science &Chemical C o Ltd ,Huaibei 235000,China Abstract :Thispaper expounds the driving principle of stepper m otor ,introduces the related techniique and control principle of constant current chopping ,pulse width m odulation and subvision driving etc. stepper circuit structure design method and puts forward the plan.K ey w ords :stepperm otor ; chopping ; pulse width m odula