脉宽调制_PWM_实现步进电机的细分驱动技术

1、脉宽调制（PWM）实现步进电机的细分驱动技术时念科 吴美莲（山东工贸职业学院 筹备处 山东 邹城 273500）摘 要： 步进电机作为一种控制电机，其控制精度（分辨率）取决于步距角的大小，单纯地靠机械手段降低其步距角是有限的。常采用细分驱动技术。着重介绍脉宽调制（PWM）实现的步进电机细分驱动技术，该技术不仅可以提高步进电机的分辨率，还可以克服步进电机在低速时易出现的低频振动现象。关键词： 步进电机；步距角；矩角特性；脉宽调制（PWM）；细分驱动中图分类号：TP275 文献标识码：A 文章编号：16717597（2011）0910039010 前言步进电机作为控制电机，在机电一体化系统的执行装

2、置中有独特的应用，该电机的控制精度（分辨率）取决于其步距角的大小，步距角越小，分辨率也越高。由于步距角=3600/KMZ，（其中K为供电方式，三拍供电：K=1；六拍供电：K=2；M为定子相数；Z为转子齿数）。受机械加工技术的限制，定子的相数和转子的齿数都是有限的，所以步进电机的步距角就不可能无限小，一般为几分到几十度。另外，步进电机在低速运转时易出现低频振动现象，其振动频率与负载情况和驱动器性能有关，共振时易造成设备损坏等严重情况，并伴有刺耳的啸叫声。为改善步进电机的运行质量和提高分辨率，常采用在电机上加阻尼器或在驱动器上采用细分技术，本文就步进电机的细分驱动技术作简单介绍。1 步进电机的细分

3、驱动技术原理步进电机细分驱动控制就是通过脉宽调制（PWM），对步进电机的驱动脉冲进行细分，将一个脉冲驱动信号细分为若干个小的脉冲，这样各相绕组中电流就按设定的规律阶梯上升和下降，从而获得相电流从最小到最大的多个中间稳定状态，各相的合成磁场也就有多个稳定的中间状态，转子就按这些中间状态以微步距转动。1.1 首先介绍步进电机的静态特性距角特性静态特性是指步进电机绕组电流为恒定值，转子静止不转时表现出的机械特性，也叫矩角特性。空载时，当且仅当某相通电并保持，此时，转子相应的齿与该相定子对齐，这时转子不输出电磁转矩。但如果此时转子承受一负载转矩，在负载转矩的作用下，转子的齿和定子的相之间就会偏转一个角

4、度，这个偏转角叫失调角，转子负载转矩越大，失调角就越大，此时，步进电机就会产生一个电磁转矩与这一负载转矩抗衡，以求达到新的平衡。所以，矩角特性就是在单位脉冲、电流均不变的情况下，步进电动机静转矩和转子失调角的关系，步进电动机静转矩和转子失调角的关系曲线叫矩角特性曲线。在某一通电方式下各相矩角特性总和称为矩角特性族，通常矩角特性族的每一条曲线依次错开，单三拍供电时相位差是s=2/m，六拍供电时s=/m，由以上分析可知，要使步进电机转子转过一个步距角，矩角特性族相临两相相位差必须大于电步距角。两曲线的交点所表示的转矩就是步进电动机的最大启动转矩。只要负载转矩小于该转矩，电动机就可以启动。如果电动机

5、相数增加，步距角就减小，两条曲线的交点对应的启动转矩就增大，要求的启动转矩也就相应大。1.2 步进电动机的动态特性大家知道，电动机的输出转矩与绕组电流有关，步进电动机控制电流的增加与转速的升高需要一个过渡时间，这是步进电动机的性质所决定的，动态特性就是研究这个过渡时间多电动机运行的影响。步进电动机一般用于开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转现象，停止时转速过高易出现过冲现象，所以，要保证步进电动机的控制精度，就必须处理好其升、降速的问题。如果控制脉冲的时间间隔大于步进电动机的过渡时间，电动机呈步进运行状态。当控制脉冲的时间间隔适当小于电动机的过渡时间，在A相通电状态下，其转子还没有

6、减速到稳定平衡点以前，A相就断电同时B相通电，则转子将继续按原方向转动，这种状态称为步进电动机的连续运行状态。但如果控制脉冲的时间间隔远小于电动机的过渡时间，则电动机会出现丢步或堵转现象，步进电动机失去运行工作能力。2 脉宽调制（PWM）原理脉宽调制（PWM）细分驱动是利用大功率晶体管的开关特性对固定的直流电压进行调制。通过对晶体管的基极的触发控制，使晶体管的集电极和发射极之间按一定的频率“接通”（饱和导通）和“断开”（关断截止），并根据需要改变一个周期内”“接通”和“断开”时间长短，从而改变电压的“占空比”，也就是改变脉冲的宽度。脉冲宽度的改变也就是电动机两端的平均电压发生改变，进而实现调速

7、。脉宽调制（PWM）控制原理：控制可控开关按一定的时间间隔重复地接通和断开。当开关接通时，电路接通，供电电源通过开关施加到电动机两端；当开关断开时，中断了供电电源，电动机两端电压是零。在开关一次接通和断开的时间周期内，电动机两端的平均电压等于这两个电压的平均值。从图中可以看出，只要改变开关在一个周期内接通或断开的时间，即可改变脉冲宽度，从而改变电动机两端的电压以调整速度。亦即脉宽调制。步进电动机细分驱动控制的关键是用什么样的细分电流波形来控制步进电动机各相绕组中的电流，步进电机细分控制的硬件一般采用DSP芯片的PWM口来实现实现，例如要实现二相四拍的8倍细分，其实现原理框图如下：上图中8路PW

8、M输出被接口驱动放大器放大后，分别用于驱动8各MOS管，其中二/四相步进电动机的AA被接在一路。电流的细分是通过加在电动机两端的电压细分实现的，而电压的细分是通过脉宽调制（PWM）实现的，也就是设定一定的“占空比”。由上图的控制过程知，当Q1Q4高电平，Q2Q3低电平时是A相电流。当Q1Q4低电平，Q2Q3高电平时是A相电流。BB相电流的接法与此相同。对于上述的硬件实现方案，DSP芯片的控制程序也很容易实现，只要算出电流分配系数，而后再换算到电压占空比就可实现。3 结束语本文从理论上对步进电机的细分驱动控制作了简单的阐述，此方法既能降低步进电动机低频运行时的振动和噪音，又能方便地细分步进电动机的步距角，提高了步进电动机的控制精度。参考文献：1赵先仲主编，机电一体化系统，北京：高等教育出版社