基于细分控制的步进电机驱动器的设计

1、第卷第期年月淮阴师范学院学报（自然科学版）（）畅畅基于细分控制原理的步进电机通用驱动器设计马耀家，黄建（北京航空航天大学自动化学院，北京）摘要：阐述了细分控制原理，介绍了一种基于细分控制原理的步进电机通用驱动器并以步进电机为负载，用实际运行试验验证设计的可行性，得到比较满意的结果关键词：细分；步进电机；驱动器设计中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：马耀家（），男，青海西宁人，硕士研究生，研究方向为电力电子技术及电机控制引言步进电机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械位移（角位移或线位移）的机电执行元件，在机电控制应用中，必须与相应的电子驱动电路配合使用其性能不仅取决于步进电

2、动机本身，很大程度上还取决于驱动器的性能细分控制技术可以实现步进电机恒转矩均匀控制，从而改进其性能位微控制器在脉冲信号引起的外部中断作用下分别输出三路二进制数字信号这三路信号代表互差度相位的阶梯状近似正弦波每一个外部中断产生一级阶梯波电压信号，该电压信号二进制数值等于同相位下相应相的正弦波幅值该三相阶梯波通过位电压型数模转换电路，输出三相模拟正弦波参考电压波形、参考信号与实际电压反馈值信号滞环比较之后，得到斩波信号，输入到三相全桥驱动芯片，产生驱动电流驱动步进电机，从而构成一个步进电动机的正弦波细分驱动器该驱动器具有体积小，结构简单，运行功耗低等优点该系统的细分数可以在微控制器运行程序中指定，

3、在细分到级细分数之间选择本文介绍一种采用位微控制器实现步进电动机正弦波细分控制方案，采用公司的全桥驱动芯片，驱动全桥电流斩波电路，生成细分正弦电流驱动瓦到瓦功率范围内的三相混合式步进电机在实际运行试验中，采用型步进电机作为负载，验证设计的可行性细分控制技术原理与电路设计步进电机的细分控制的基本思想是每次输入脉冲时，不是将相绕组电流全部通入或切除，而是比较精确的控制各相励磁绕组中电流的大小，使步进电机内部的合成磁场近似为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小因此，要想实现对步进

4、电机的恒转矩均匀控制，必须合理控制电机绕组中的电流，使得合成磁场以很小的步距角转动，而且每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化要均匀，使得步进电机内部合成磁场近似为均匀的圆形旋转磁场采用细分驱动技术与电流控制技术是步进电机驱动器发展的主要趋势目前细分驱动多采用量化的阶梯波、正弦波作为驱动电流波形本文中的细分角指驱动器控制下步进电机可以到达的最小的步距角，细分数指原来的步距角和细分角的倍数电路设计如图图硬件电路总体设计畅三相参考正弦波生成方案外部设备给出的步进电机驱动脉冲作为位微控制器的外部中断信号，微处理器存储有设定细分数下每一组三路阶梯波分别对应的二进制数值大小每接到一个外部中断信号，微控制

5、器查询片上的存储的数值表，得到一组三路二进制数字信号，分别送到三相对应的转换器上带有输入输出两级锁存器的转换芯片依次接收到二进制数字信号，送入三相对应的输入锁存器待三相数字信号都锁存之后，微控制器同时给出输出命令，三路数模转换芯片同时输出三相正弦模拟参考图三相参考正弦波生成程序流程电压、，并将其保持在输出锁存器中至下一个中断的到来下一个脉冲信号触发外部，查询存储于微控制器的中的数值表，确定下一组二进制参考信号，继续送入数模转换电路产生三相参考信号如此不断循环运行，按照数值表顺序产生三相近似正弦的阶梯波程序流程如图畅桥驱动信号生成方案是美国公司生产的大功率用驱动集成电路，双列直插引脚，高集成度六

6、路驱动，所需外围组件少偏置电压最大，输出的最大正向峰值驱动电流为，反向峰值驱动电流为栅压范围开关时间（典型值）死区时间（典型值）具有过流关断、欠压封锁功能，图、两相驱动信号生成电路图相驱动信号生成电路的控制信号由三相比较电路生成电路的结构由运算放大器和电压比较器组成，如图所示，霍尔电流传感器检测步进电机、两相绕组的电流，得到的电流信号进过采样电阻生成反馈电压信号，该两相反馈信号又经过同相放大电路，从而与霍尔电流反馈电路隔离并放大，成为图中信号和根据反应式步进电机电枢三相星形接发的特点知道，所以对、相反馈信号经过反相求和电路得到相反馈信号，如图所示最后三相反馈信号、分别与参考电压、比较，生成的斩

7、波信号经光耦隔离之后，得出、三个输出信号，该三个信号经反相器，即得、三个反相信号这六个信号构成驱动电路的控制信号畅驱动部分的电路驱动部分的电路比较复杂，其原理图如图所示图中、是自举电容，为上桥臂功第期马耀家等：基于细分控制原理的步进电机通用驱动器设计率管驱动的悬浮电源存储能量，、的作用是防止上桥臂导通时的直流电压加到的电源上而使器件损坏，因此、应有足够的反向耐压，当然由于与、与、与串联，为了满足主电路功率管开关频率的要求，、应选快速恢复肖特二极管、是的门极驱动电阻，取值十到几十欧和组成过流检测电路，其中是过流取样电阻，是作为分压用的可调电阻，两者在实际应用中用导线短路的、作为功率管的输入信号端

8、，输入、六个信号经发光二极管与电压相连，畅电机驱动电路输出六路驱动电压信号，分别驱动六个开关管全桥斩波得到近似为三相正弦波的驱动电流、驱动三相混合式步进电机试验中采用三相混合式步进电机作为负载步进电机参数如下：步距角：畅；温升：；绝缘电阻：（）；环境温度：；绝缘强度：；绝缘等级：；额定电压：畅；额定电流：图驱动电路原理图实验与结果在驱动器工作在细分，细分，细分下的三相反应式步进电机电枢电流波形的示波器截图分别如图、图和图 所示图细分相电枢电流波形图细分相电枢电流波形图细分相电枢电流波形淮阴师范学院学报（自然科学版）第卷结论经过运行实验，证明设计可行，得到的驱动电流符合预期要求实验验证细分数越大，细分角越小，电枢电流越接近正弦，电机运行越平稳即合成磁场以很小的步距角转动，近似为均匀的圆形旋转磁场但是细分控制技术难以做到精确控制细分后的步进角，在细分数较大时（实验中细分数大于）步进角难以准确控制因而细分驱动技术适用于要求电机平稳运行的场合，而不适用于精确的步距控制场合参考文献：王季秩，曲家骐执行电动机北京：机械工业出版社，谭建成电机控制专用集成电