（光学工程专业论文）高精度、高分辨电细分驱动技术的研究.pdf

高精度、高分辨电细分驱动技术的研究 中文提要 高精度、高分辨电细分驱动技术的研究 中文提要 随着科学技术的发展，高精度、高分辨率、高稳定性的驱动技术成为当今的热点， 步进电机的细分驱动技术即是一种综合了数字化技术、集成控制技术和讨算机技术的 高新技术，被广泛应用于科研、通讯、天文等领域。 本文介绍了两相四拍混合式步进电机的工作原理和磁网络模型，推导了绕组的磁 链方程、电磁转矩方程。由步进电机细分驱动原理和电磁转矩方程，得到均匀细分控 制时步进电机的数学模型；通过对斩波式和脉宽调制式两种细分驱动技术的讨论分 析，提出了电流跟踪型电细分驱动方案。该方案能避免其它相绕组的感应电压和绕组 电流的漂移带来的误差，提高了细分精度。同时论文叙述了基于单片机控制的控制电 路和相应的软件。为减小误差，对细分控制系统进行了误差分析，误差分析表明：当 采用1 2 位d a 转换器，步进电机的步距角为1 8 0 ，进行2 5 6 细分时，误差为1 0 。 并采用自准直仪加精密数显转台的光学测量方法，进行了真实的实验测量，给出了实 验结果，同时对实验数据进行了分析，分析表明：如果去掉测量误差，实际的细分精 度还可更高些，与误差理论分析进行比较，实验结果是可信的。 关键词：步进电机、细分驱动、电流跟踪型、误差分析。 作者：董健 指导教师：张耀明 s t u d y o ns u b d i v i s i o n d r i v i n gt e c h n o l o g y w i t h h i g ha c c u r a c y a n d h i g h r e s o l u t i o n a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y , d r i v i n gt e c h n o l o g yw i t hh i 曲 a c c u r a c y , h i g hr e s o l u t i o n a n dh i g h s t a b i l i t y b e c o m e st h ec u r r e n tf o c u s t h e s t e p p e r m o t o r ss u b d i v i s i o nd r i v i n gt e c h n o l o g yi sak i n do fn e wt e c h n o l o g i e sw h i c hs y n t h e s i z e e l e c t r i c a l m a c h i n e r yd i g i t a lt e c h n o l o g y , i m e 伊a t e d c o n t r o l t e c h n o l o g y a n d c o m p u t e r t e c h n o l o g y i t sw i d e l ya p p l i e d t os c i e n t i f i cr e s e a r c h ，c o m m u n i c a t i o n ，a s t r o n o m ya n ds oo n i nt h i sp a p e r , t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dm a g n e t i cn e t w o r km o d e lo f t w o - p h a s eh y b r i d s t e p p e r m o t o ra r ei n t r o d u c e d ，t h em a g n e t i s mc h a i n e q u a t i o n o ft h e w i n d i n g a n d e l e c t r o m a g n e t i s mt o r q u ee q u a t i o n i sd e d u c e d a p p t y i n gt h ep r i n c i p l eo fs u b d i v i s i o n d r i v i n g a n de l e c t r o m a g n e t i s mt o r q u ee q u a t i o n , w eg e tt h em a t h e m a t i c sm o d e l w h i c hm a k e st h es t e p a n g l e e v e n n e s sa f t e rs u b d i v i s i o n t h r o u g ha n a l y z i n gc u t t i n gw a v e sa n dp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，an e wm e t h o do ft r a c m gc u r r e n ti sp r e s e n t e d i tp r e v e n t st h er e a c t i v ev o l t a g e e r r o r sb r o u g h tb yo t h e rw i n d i n g sa n dt h ed r i f te r r o r sb r o u g h tb yc u r r e n t i ti m p r o v e st h e p r e c i s i o no fs u b d i v i s i o n 。a tt h es a m et i m e , t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec o n t r o lc i r c u i ta n d r e l a t e ds o f t w a r eb a s e do nt h eo n e c h i pc o m p e e rc o n t r o l l i n g i no r d e rt or e d u c et h ee r r o r , ic a n yo ne r r o ra n a l y s i si nt h es u b d i v i d i n gc o n t r o ls y s t e m ， a n dr e s u l ti ss h o w na sf o l l o w i n g ：w h e nt h es y s t e ma d o p t s 1 2b i td as w i t c h m gd e v i c e a n dt h es t e pa n g l eo fs t e p p e rm o t o ri s1 8 ，2 5 6s u b d i v i s i o nc a nb ea t t a i n e dw i t ha n g l e e r r o ro f1 0 t h e a u t o a l i g r n e n ti n s t r u m e n ta n da c c u r a c y t u r n t a b l e 、航t hd i g i t a ld i s p l a ya r ea p p l i e dt o d e t e c tt h es t e pa n g l ea n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r es h o w na sf o l l o w i n g ：w h e nm e a s l l r e e r r o ri so m i t t e d h i g h e rs u b d i v i s i o np r e c i s i o nc a nb ea t t a i n e d c o m p a r e d 撕me r r o r t h e o r e t i c a la n a l y s e ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eb e l i e v a b l e k e y w o r d s ：s u p p e rm o t o r ；s u b d i v i s i o nd r i v i n g ；t r a c e dc u r r e n t ；e r r o ra n a l y s i s l i w r i t t e n b y j i a nd o n g s u p e r v i s e db yy a o m i n gz h a n g y 645 6 3 7 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外本论文不含其他个人或集体己经发表或 撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承 担本声明的法律责任。 研究生签名：谨赴日期：巡：垡! 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国 社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论 文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名弗赴 导师签名： 日期：越! ! 日期：兰竺兰：! ! ， 高精度、高分辨电细分驱动技术的研究第一章 第一章引言 随着科学技术的发展，对小步距、高精度、高分辨率、低振动、高稳定性、低噪 音的步进电机的要求愈来愈迫切。 步进电机由于受到自身制造工艺的限制，如步距角的大小由转子齿数和运行拍数 决定，但转子齿数和运行拍数是有限的，因此步进电机的步距角一般较大且是固定的， 步进分辨率低、缺乏灵活性、在低频运行时振动，且由于步进电机运行的特殊机理， 噪音比其他微电机都高，使物理装置容易疲劳或损坏。这些缺点使步进电机只能应用 在一些要求较低的场合，对要求较高的场合，只能采取闭环控制，增加了系统的复杂 性，这些缺点严重限制了步进电机作为优良的开环控制组件的有效利用。细分驱动技 术在一定程度上有效地克服了这些缺点。 步进电机细分驱动技术是7 0 年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综 合使用性能的驱动技术。1 9 7 5 年美国学者t r f r e d r i k s e n 首次在美国增量运动控制系 统及器件年会上提出步进电机步距角细分的控制方法。在其后的二十多年里，步进电 机细分驱动得到了很大的发展。最初，对步进电机相电流的控制是由硬件来实现的， 通常采用两种方法：( 1 ) 采用多路功率开关电流供电，在绕组上进行电流叠加，这种 方法使功率管损耗少，但由于路数多，所以器件多，体积大。( 2 ) 先对脉冲信号叠加， 再经功率管线性放大，获得阶梯形电流，优点是所用器件少，但功率管功耗大，系统 功率低，如果管子工作在非线性区会引起失真。由于本身不可克服的缺点，因此目前 已很少采用这两类方法。 随着计算机技术的发展，特别是单片机的出现，开创了步进电机细分驱动技术的 新局面。用单片机控制的步进电机细分驱动电路不仅减小控制系统的体积、简化电路、 同时还提高了细分精度和控制系统的智能化，从而使细分驱动技术得到推广。 国内步进电机电细分驱动技术在九十年代中期的到了较大的发展。主要应用在工 业、航天、机器入、精密测量等领域，如跟踪卫星用光电经纬仪、军用仪器、通讯和 雷达等设备。 本文介绍了两相四拍混合式步进电机的工作原理和磁网络模型，推导了绕组的磁 链方程、电磁转矩方程。由步进电机细分驱动原理和电磁转矩方程，得到均匀细分控 1 高精度、高分辨电细分驱动技术的研究第一章 制时步进电机的数学模型；通过对斩波式和脉宽调制式两种细分驱动技术的讨论分 析，提出了电流跟踪型电细分驱动方案。该方案能避免其它相绕组的感应电压和绕组 电流的漂移带来的误差，提高了细分精度。同时论文叙述了基于单片机控制的控制电 路和相应的软件。为减小误差，对细分控制系统进行了误差分析，误差分析表明：当 采用1 2 位d a 转换器，步进电机的步距角为1 8o ，进行2 5 6 细分时，误差为1 0 。 并采用自准直仪加精密数显转台的光学测量方法，进行了真实的实验测量，给出了实 验结果，同时对实验数据进行了分析，分析表明：如果去掉测量误差，实际的细分精 度还可更高些，与误差理论分析进行比较，实验结果是可信的。 2 高精度、高分辨电细分驱动技术的研究 第二章 第二章步进电机工作原理及控制 步进电机是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械 装置。每输入一个脉冲信号，改变一次励磁状态使转子转过一定的角度；若没有脉冲 信号输入，则转子保持在某一位置静止不动。因此，步进电机是一种受电脉冲信号控 制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制频率同步的同步电 机。 步进电机的工作原理是基于基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1 8 3 0 年至1 8 6 0 年间，1 8 7 0 年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，被认 为是最初的步进电机。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。不久，又在 缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。 2 0 世纪6 0 年代后期，步进电机随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运 而生，而半导体技术的发展则推动了步进电机在众多领域的应用。近3 0 年间，步进 电机迅速发展并成熟起来。从发展趋势分析，步进电机已经能与直流电机、异步电机、 同步电机并列，从而成为电动机的一种基本类型。 2 1 步进电机的分类 步进电机按励磁方式划分有三种类型：反应式( v r 型) 、永磁式( p m 型) 和混 合式( h r 型) 。按其传动设计方式，步进电机又有旋转型步进、直线型步进，以及带 减速齿轮与不带减速齿轮之分。反应式步进电机一般为三相，步距角一般为1 5 度， 因其步距角小、启动和运行频率高而被应用在开环数字系统中，但由于反应式步进电 机断电时无定位转距、消耗的功耗比较大，运行时噪声和振动都很大，在欧美等发达 国家8 0 年代已被淘汰；永磁式步进电机一般为二相，步距角一般为7 5 度或1 5 度， 优点是控制功率小，电磁阻尼大以及永久磁钢具有自锁制动能力，缺点是转矩与转子 惯量比低，永磁体的磁化强度可能有变化，反电势高，而最高转速低，由于本身的结 构限制，不适宜小步距角用途；混合式步进电机既具有反应式步进电机的高分辨率， 即每转步数比较多的特点，又具有永磁式步进电机的高效率、绕组的电感比较小的特 点。它是一种低速运行的同步电机，既可做同步电机进行速度控制，也可做步进电机 岛精度、高分辨电细分驱动技术的研究第二章 进行位置开环控制，这种步进电机通常有多相绕组，定子与反应式电机一样，只是在 转子上有永久磁铁或单独的直流绕组产生单向的轴向磁场。它分为两相和五相，这种 步进电机的应用最为广泛。本文选用的就是具有高定位精度又易于控制的两相混合式 步进电机。 2 2 两相混合式步进电机的工作原理 混合式步进电机有定子和转子两部分组成。常见的定子有4 个极或8 个极，极面 上均匀分布一定数量的小齿，极上线圈能以两个方向通电，形成a 相和a 相，b 相 和b 相。它的转子也由圆周上均匀分布一定数量小齿的两片齿片组成，两块齿片中间 夹有一个轴向充磁的环形永久磁钢。显然，同一段转子片上的所有齿都具有同向极性， 而两块不同段的转子片间的极性相反。从轴向看，n 极的转子和s 极转子的齿中心线 并不一致，而是彼此错开半个齿距，除此以外，n 极的转子和s 极的转子构造完全相 同。图2 1 是混合式步进电机的结构轴视图。 。勰叠蚤。j 解黜 燃影 一壤：= 彤夕 图2 1 混合式步进电机的结构轴视图 图2 - 2 是混合式步进电机的剖面展开图。上图是转子s 极所处的剖面图，下图是 n 极所处的剖面图。图中，定子齿距和转予齿距相同。先考虑磁极口和磁极口下面的 磁场。定子线圈通电后，磁极口产生n 极，磁极日产生s 极，它们的构成磁场分布情 况如实线所示，同一图中的虚线表示永久磁钢产生的磁通通路，因为n 极转子齿和s 极转子齿相互错开半个齿距，所以仅靠定子电流磁场并不能像磁阻式电机那样产生有 意义的转距。但是，把永久磁钢产生的磁场叠加上去，情况就不一样了。因为磁极口 4 塑鏖：塞坌鳖皇塑坌翌垫垒查箜堡窒 蔓三童 下面的两个磁场相互增强，将产生向左的驱动力；而磁极口下面的两个分量相互抵消， 向右的力大大削弱。再看下图，磁极口下面的定子磁场和转子磁场方向相同，磁极口 f 面的磁场方向相反，最终得到向左的合力。转子在驱动力的作用下将转过1 4 的齿 距，驱动力降为零，达到平衡位置。如果切断磁极口、口的激励，同时向磁极口、口上 的线圈通入电流，分别产生s 极和n 极。转子将向左再走一步。按照特定的时序激 励，电机就能沿顺时针或逆时针方向连续旋转。 图2 2 混合式步进电机的剖面展开图 2 3 混合式步进电机的控制 千 千 步进电机系统的性能，不仅仅取决步进电机本身的结构，在很大程度上取决于控 制方法和驱动器的性能，两相混合式步进电机的工作是通过控制相绕组的电流来控制 电机的运行，有单四拍、双四拍、单双四拍等控制方法，图( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 分 别表示单四拍、双四拍、单双四拍控制方式的转距图。 高精度、高分辨电细分驱动技术的研究 第二章 僻 图2 - 3 单四拍控制方式的转矩图 t r b t b - d r r t b + r t a + 图2 - 4 双四拍控制方式的转矩图 t 挑一 n -n - a + j t a + t b + a i b + i a + b + 图2 5 单双四拍控制方式的转矩图 如以单四拍控制方式给两相混合式步进电机通电，则转子每拍进l 4 个转予齿距； 双四拍控制方式与单四拍类似，转子也是每拍进l 4 个转子齿距，只是每一拍为两相 绕组同时通电，产生合成转矩，转矩的大小为单四拍控制方式时的2 倍；而单双四 拍通电方式具有单四拍和双四拍两种控制方式，交互通电，8 拍为一个循环，转子每 6 商精度、高分辨电细分驱动技术的研究 第二章 拍进1 ，8 个转子齿距，步距角减小为单四拍或双四拍的一半，每拍产生的转矩的大小 不等，双拍为单拍时的2 倍。 步进电机这些控制方式有以下特点：可由数字信号直接进行开环控制，整个系统 简单廉价：位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累、精度高、定位方便； 能同时用一台控制器控制几台步进电机，使它们同步运行；电机的步距角和转速大小 不受电压波动和负载变化的影响，仅与脉冲频率有关。但在工况较高的场合，为了进 步提高步距精度和分辨率，改善低频运行时的振动，就需要对步进电机进行细分驱 动。 高捕度、高分辨电细分驱动技术的研究 第三章 第三章步进电机电细分原理与数学模型 由于步进电机具有快速停启、精确步进、直接接收数字量的特点，所以在数控系 统中得到了广泛的应用。但是由于步进电机存在步距角较大及低速振动等问题，限制 了它在高精度场合下的应用。为解决此问题，有必要进行步距角细分。 3 1 步进电机电细分驱动的基本原理 在通常的步进电机驱动电路中，各相绕组的电流是个开关量，即绕组中的电流只 有零和某一额定值两种状态，相应的各绕组产生的磁场也是一个开关量。若能控制定 子绕组中的电流变化，使合成磁势以微步距转动，则可实现对步进电机原有的步距角 细分，使转子以任意小的步距增量旋转，增加其运动的连续性，提高步进分辨率和定 位精度。细分控制的基本思想是在每次输入脉冲切换时，不像单拍或双拍那样将相绕 组电流全部通入或切除，而只改变相应绕组中额定电流的一部分，这样步进电机的合 成磁势也只旋转步距角的一部分，从而使转子每步运行角度也只是步距角的部分。 利用电流控制技术可以有效地实现步进电机的微步驱动。以更多的步数转过相同的步 距角。这种驱动控制的结构较复杂，但有如下优点： ( 1 ) 在不改变电机内部参数的情况下，减小步距角、减小步进误差，即提高了分 辨率和步距精度。 ( 2 ) 减弱了低频振荡问题。细分后，驱动电流的变化幅度减小，故转子达到平衡 位置时的过剩能量也减少：另一方面，控制信号的频率提高了n 倍( 细分数) ，可远 离转子的低频谐振频率。 3 2 步进电机电细分数学模型的推导 电细分技术研究的关键是确定各个平衡位置通入各相电流的大小，建立步进电机 磁网络模型是必不可少的环节它能帮助我们确立合理的控制电流。图3 1 是两相混 合式步进电机定子绕组励磁时的等值磁路图。 高精度、高分辨电细分驱动技术的研究 第三章 图3 1 定子绕组励磁时的等值磁路图 其中，巴、人。、人。分别是对应于二分之一磁钢截面积的等效磁势、内部磁导和漏 磁导。人。、a 6 、人。、a d 分别为一端极下a 、b 、c 、d 每相极下的气隙磁导，人。、 人。、a 。、人d 分n y g g l - 端极下a 、b 、c 、d 每相极下的气隙磁导。这些磁导参数 都是转子位置角的周期性函数，以转予齿距为变化周期。取a 极上小齿的中心线为转 子的位置角的参考坐标，以转子小齿中心线与参考坐标的夹角表示转子的位置角，不 计铁心饱和及忽略周期性磁导2 次以上谐波分量，且按线性考虑，可表示为： 人。= 人o + 人lc o s o f i a b = a o + a i 8 i n 眈l( 3 _ 1 ) a 。= 人。一人ic o s a , j a d = 人。一人ls i n s , 】 八。= 人。一人lc o s 8 , 一6 = 人。一人ls i n 8 , 人。= a o + a ic o s 0 e 八d = 人o + a ls i n 0 , ( 3 2 ) 式中 a 。一端铁心段两个极齿层磁导的平均分量，h ； a 同上齿层磁导的基波分量幅值，h 吼定转予齿中心线夹角的电角度，r a d ； 有图3 1 ，两端极下外部磁路的磁导分别为： 会：一a ：人a ? b ：炎：会：爻： c s ， 人f = 。+ 人。+ a 一= 4 a o i 高精度、高分辨电细分驱动技术的研究 第三章 外部磁路的总磁导为： a ，= 古+ a ，= z a 。+ a 。 i + 砭 ( 3 - 4 ) 由于外部磁路总磁导a ，一定，因而磁钢工作点和总磁通m 。与位置角口。无关。有图 3 ，1 可得 中：竺 人， o 。：蔓 。 a ， 1 a g 饥= 象2 飞= 志k ， 11 。 a ， 4 人。 人ea g 1 叁“，2 薏呱r 2 志呱 a ga 8 式中中。、m ：分别为两端极下每相的每极磁通； 中。磁钢磁通； a ，、八，分别为两端极下的各极磁导，i 2 a ，b ，c ，d 于是，两端级下各相磁通分别为： 卟志凇。屯2 i 意凇a 卟志a ：l a ， c5 4 a l o k , ，+ a c 卟焘一 m ：= 1 4 a o l k o 人。 m a2 土+ a a 小最“s吼2 蒜_ s 中! ：l 人， 吐2 蔬u c 啦最“一吼2 蒜：一 1 0 ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 塞堕壁：塑坌塑皇塑坌翌塑塾查竺塑墅 篁三童 各相总磁通分别为： 卟卟略瓮c o s 吱 卟卟小差s i n 色 。c2 巾。一巾：= 丽f f ) m a l ( 哪s 见) 。= 中一一中：= 丽1 ) m a l ( 一s i n 优) 从式( 3 8 ) 可知，各相总磁通是转予位置角吼的函数。 ( 3 8 ) 静转矩的表达式可以从转角变化时电机内磁共能的增量求出。在线性条件下，只 要分别求出定子励磁磁势在磁钢中产生的磁共能和转子在定子中产生的磁共能，利用 总磁能对转角求导，即可得到转矩解析式。 设a 相励磁，既i 。= i ，1 6 = 1 。= 1 。= 0 ，转子磁钢与a 相绕组交链的总磁链为： 叫。- z 等c o s 吼 对于两相混合式步进电机，其静转矩为： 丁= 堕0 0 = 旦0 0 ( 哆，：+ 嘭：。) ( 3 一l 。) 其中：形：为定子回路，定子电流和转子磁钢产生的互磁共能分量 ：。为转子回路，定子电流在转子内产生的互磁共能分量； 昂r f l 2 沁= 警c o s 眈 ( 3 - 1 1 ) ( 3 1 2 ) 所以静转矩为： 卜o 甜w = 品( 嘭1 2 + 嘭：，) = - 4 m 去 m z , s i n 吼= - k o i s i n 眈 ( 3 1 3 ) 高精度、高分辨电细分驱动技术的研究 第三章 式中：k 。= 4 n z ，瓦a i 巾。，z r 转子齿数。 当步进电机两相同时通电流时，不计铁心饱和的影响，应用叠加的原理，电磁转 矩为： t = 一k o i 。s i n 0 。+ k o i 6c o s 0 e ( 3 1 6 ) 当转子稳定在某一位置时，即t = 0 ，则 f 。s i n 0 。= i 6c o s o , ( 3 1 7 ) 为了实现恒力矩驱动，并保持力矩输出为最大值，a 相电流的变化取三角函数关系， 即i 。耋i ，c o s 0 e ，则： i = i 。s i n 0 。 ( 3 1 8 ) 电机转予由a 到b 转过9 0 。电角度，电机则转过一个步距角。细分时两相电流的值按 式( 3 1 9 ) 计算得到： 卜汹c 和 卜“警s ， 其中：竹为细分数； s 为步数； 式( 3 1 9 ) 即为电细分的数学模型。对于不同的细分数，建立相应的各相电流数据表， 存入e p r o m 中，用奁表法根据时序状态从表中循环取数，使步进电机实现细分驱动c 1 2 高精度、高分辨电细分驱动技术的研究 第四章 第四章电流跟踪型电细分技术的研究 目前，步迸电机的细分驱动电路大多数都采用单片机控制，单片机控制的步进电 机细分驱动电路不仅减小了控制系统的体积、简化了电路。同时进一步提高了细分精 度和控制系统的智能化。控制电路根据末级功放管的工作状态可分为放大型和开关 型。放大型步进电机细分驱动电路中末级功放管的输出电流直接受单片机输出的控制 电压的控制，电路简单，但是由于末级功放管工作在放大状态，功放管功耗较大，发 热严重，容易引起晶体管的温漂，影响驱动电路的性能，甚至可能由于晶体管的热击 穿导致电路无法正常工作，因此该驱动电路一般用于驱动电流较小的场合。开关型步 进电机的细分驱动电路的末级功放管工作在开关状态，晶体管上的功耗大大降低，克 服了放大型细分电路晶体管发热严重的问题，但电路复杂，该电路一般用于输出力矩 较大的步进电机的驱动，随着大力矩电机的广泛应用，此驱动方式得到了巨大的发展。 最常用的开关型步进电机的细分驱动电路有脉宽调制式和斩波式两种。 4 1 脉宽调制法 脉宽调制法是利用半导体开关器件的导通与截止把直流电压变成电压脉冲，并通 过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期 以达到变频变压目的的一种控制技术。如图4 1 为脉宽调制电路的原理与波形。载波 信号“，采用等腰三角波形，控制信号为“。，当”。 “，时元件开通，“。 _ 。 8 6 4 023456789 步数 图( 4 3 ) 存在感应电压时的步距角与消去感应电压时的步距角 坫 幽删埘镣盆罂+v 墅墼坠墅鏊皇塑坌墨垫垫查墼堑塞 蔓婴童 4 2 恒流斩波法 恒流斩波法又称为恒电流驱动方法，是一种在导通、锁定、低频、高频工作状态 下都保持绕组电流恒定的有效的驱动方法。原理图如图( 4 4 ) 所示。主电路由晶体 管、电机绕组、取样电阻串联而成。取样电阻选用大电流小阻值的电阻，压降与电机 绕组电流成正比。比较器的两个输入端，其中之一接给定电平，另一个接取样电阻的 电压信号。当绕组电流上升，由于所加电压较高，电流上升较快，取样电阻的压降代 表了电流的大小，当电流超过所设定的值时，比较器输入的取样值超过给定电压，比 较器翻转，输出为低电平，使晶体管截止，此时磁场能量将使绕组电流按原来的方向 继续流动，电流逐渐下降。当取样电阻上得到的电压小于给定的电压时，比较器又翻 转回去，输出高电平，晶体管导通，电源开始向绕组供电，电流上升，如此反复，电 机绕组电流就稳定在给定电平的数值附近，形成小的锯齿波。如图( 4 5 ) 所示。 绐摧 厨糍 给定电压n 图( 4 4 ) 斩波法的原理图 ( 4 5 ) 放大后的取样信号 1 6 高精度、高分辨电细分驱动技术的研究第四章 斩波恒电流驱动中，由于驱动电压较高，电动机绕组回路不串联电阻，所以电流上升 很快，当到达所需的数值时，由于取样电阻有反馈作用，绕组电流可以恒定在确定的 数值上，而且不随电机的转速而变化，从而保证了在很大的频率范围内电动机输出恒 定的转矩。但这种电路复杂，由于采样电阻送回的电机绕组信号中有许多尖峰和毛刺， 这些尖峰和毛刺会引起比较器误动作；且由于比较器的翻转、晶体管的开通和截止都 存在一个时间差，引起绕组电流的漂移，驱动电压越大，电流漂移也越大，实验中测 量单步运行时，1 2 v 的驱动电压在电机绕组上产生了0 0 1 a 的漂移。所以这种方式对 小电流电机的控制能力存在不足，如6 4 细分时，第一步样机电流的控制量为o 0 0 9 a ， 由于电流的漂移，带来的误差为1 1 0 ，特别是细分数较大时，需要很小的相电流的 设定，电流的漂移降低了细分的分辨率，远不能满足要求。 4 3 电流跟踪型电细分技术 针对前面两种细分方法存在的问题，为了进一步提高电细分精度，本文提出了电 流跟踪型电细分技术，即基于单片机控制的电流跟踪型电细分技术，其结构框图如图 ( 4 6 ) 所示。 图( 4 6 ) 电流跟踪型细分驱动结构框图 电路由单片机控制、d a 转换器、电平转换，功率放大等电路模块组成。利用式 ( 3 1 9 ) 的数学模型得到不同细分时a 、b 两相的电流数据，量化后以表格的形式存入 单片机存储器。工作时，单片机根据相应的- 细t f f 要求，不断输出细分电流信号，经过 1 2 位d a 器转换后，得到相应的输出电压，由于d a 转换器的输出驱动能力很弱， 不能满足电机驱动的需求，因此必须对d a 转换器的输出进行功率放大。采用可调集 成稳压电源作为功率放大，当d a 转换器输出的电压为零时，可调集成稳压电源的输 l ， 翘廑! 塞坌塑皇塑坌堕塾技术的研究第四章 出太子零，为使加在电机上的电流值与数学模型的值相一致，必须在d a 转换器的后 面接入电平转换，再接集成稳压电源，调试硬件使电机绕组上的电流按数学模型的要 求变化。电机绕组的通断由m o s 管控制， 制m o s 管的导通与截止。当电机细分时， 单片机的p l 口通过d c d c 转换芯片来控 在某相绕组通电的过程中，它的驱动控制 器m o s 管都是导通的，绕组需换相时，m o s 管才截止，在整个过程中不会引起其它 相的感应电压。这种细分驱动电路具有精度高、控制灵活、通用性好等特点。 4 4 电流跟踪型电细分技术的硬件设计 硬件设计包括如下内容： - 控制电路的设计 驱动电路的设计 功放电路的设计 4 4 1 控制电路的设计 l ，单片机控制电路 单片机控制电路是控制系统的核心，为简化电路，采用的是a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2 型号的单片机，它有如下一些特点： ( 1 ) 集成度高。a t 8 9 c 5 2 为4 0 脚封口，内部有4 k 字节的r o m ，1 2 8 字节r a m ， 四个8 位并行口，一个全双工的串行1 ：3 ，两个1 6 位定时器计数器，一个功能很强的 中央处理器以及内部晶体振荡电路。 ( 2 ) 系统结构简单。一片a t 8 9 e 5 2 即可构成一个小型的控制系统。该芯片扩充 能力强，具有对6 4 k 外部程序存储器和6 4 k 外部数据存储器寻址的能力。 ( 3 ) 可靠性高。能在常温下工作，大部分总线在芯片内部不易受干扰，系统结 构简单，体积小，容易采取屏蔽措施，因此有较高的可靠性。 ( 4 ) 处理能力强，速度快。a t 8 9 e 5 2 具有丰富的指令系统，除加减指令外，还 有字节的乘除运算指令，具有对1 2 8 个控制字的为操作指令，因此特别适用于控制要 求。c p u 时钟高达2 4 m h z 。机器周期只有0 5 s ，多数指令为一个机器周期或两个 机器周期，所以运算速度快，可使系统有较强的功能和较高的响应。 ( 5 ) 容易产品化。由于芯片具有体积小、功能强、可靠性高、价格底等优点， l r 塞壁蕉! 塞坌塑皇墅坌里动技术的研究第四章 市场上货源充足，所以容易形成产品化。 单片机的资源配置为： p o 口和b1 3 ：双向i o ，在对外部存储器进行读写时，只口输出地址的低8 位和 数据信号，只口输出地址的高8 位。本设计中，用只口的低4 为作为译码器的地址 线，只口为d a 转换器和细分级数的选择等数据的输入端。 只口：双向i o 口，作为对d a 转换器输出端口地址的选通、d ，a 转换的选通， 驱动电路中m o s 管导通、截止的选择。 w r ：对外部存储器的写选通信号的输出端，为d a 转换提供写选通信号，使数 据写入d a 转换器的数据存储器。 r d ：对外部存储器的读选通信号的输入端，读入外部键盘信号。 2 d a 转换设计 为了提高细分精度和分辨率，电路中的关键器件d a 转换器使用m a x i m 公司的 m a x 5 2 61 2 为数模转换器，非调整误差是1 l s b 、分辨率为i 蒜，远大于8 位 d a 转换器的分辨率去矿o 。转换器内包含4 个独立的1 2 位电压输出型数模转换器 ( d a c ) 。4 个独立的电压输出端与步进电机四个端口匹配，能独立完成对电机输出 电流的控制。它具有双缓冲接口逻辑的1 2 为输入寄存器和1 2 位d a c 寄存器，利用 一公共的选通信号实现多路同步输出。m a x 5 2 6 对外使用8 位数据总线，通过两次写 ( t 一 g r ) 操作和单片机进行数据交换。第1 次由单片机写入低8 位数据，第2 次写入 高4 位数据，并将1 2 位数据装载到输入寄存器中，异步装载d a c 控制输入端l d a c 将数据从输入寄存器传递到d a c 寄存器，实现数模转换，l d a c 的控制信号有单片 机提供的口线控制，a 。，a 。是d a c 选择地址线，用来选择4 个数模转换器中的一个。 图( 4 7 ) 是m a x 5 2 6 的结构图。 1 9 商精度、高分辨电细分驱动技术的研究 第四章 v 硝羊瓣、恫e f 伪咖b 蕊b 画丽菇c 酗巷v s s b 帅0 伽0 图( 4 - 7 ) m a x 5 2 6 的结构图。 m a x 5 2 6 的的可取值为一0 3 v 一1 7 v ，圪的可取值为一7 v - 0 3 v ，的值为 一0 3 v v d d + 0 3 v ，v o 。可得到的值为比一，所以可根据实际的电机选择相应的 y 0 ，可移植性强、价格低廉、接口简单、转换控制容易等特点。 m a x 5 2 6 中的要求一5 v 的电源，需提供1 0 m a 左右的电流，直流电源上无一5 v 电源， 选用电源变换芯片7 6 6 0 就可得到5 v 的控制电源，能满足要求。图( 4 8 ) 为m a x 5 2 6 与单片机的连接图。 高精度、高分辨电细分驱动技术的研究 第四章 图( 4 _ 8 ) m a x 5 2 6 与单片机的连接图 目前d a 转换接口中常用的d a 转换器大多不带有参考电压，为了方便地改变 输出模拟电压范围、极性，需配置相应的参考电压，故在d a 接口设计中经常要进行 参考电源的设计。参考电压的稳定性对绕组中的电流影响很大，为提高细分精度，电 路中选用了t l 4 3 1 为参考电源的输入端，它的温度系数近予零，精度很高，电压输出 范围广，通过调节定位器，可使k 。的值从0 一之间任意可调。图( 4 9 ) 为参考电 源的电路图。 v t v d d 睦 图( 4 9 ) 参考电源 t l a 3 1 4 4 2 功放电路的设计 从d a 转换器的输出驱动能力很弱，不能满足电机驱动的需求，因此必须对d a 转换器输出的电压进行功率放大。为提高细分精度，采用三端可调集成稳压器l m 3 1 7 ， 由于l m 3 1 7 的输出是1 2 v 3 7 v ，不能满足设计的要求，所以采用集成运算放大器 2 l 高精度、赢分辨电细分驱动技术的研究第四章 o p 0 7 作为电平转换，使输出电压在0 到额定电压值之间变化。电路如图( 4 1 0 ) 所 示。 图( 4 1 0 ) 功放电路图 由于三端可调集成稳压器具有使用电压宽、调整范围大、稳压性好、外电路简单 的特点，仅用两只电阻便可调整输出电压。其电压调整率与电流调整率都优于常见的 固定稳压器，还在i c 内部设置了过载保护、限流保护和安全保护，使用中不易损坏。 适当选择输入电容可以改善传输响应。调整端与地间加旁路电容，可获得高纹波抑制 比。符合电路设计的要求。 电路调试时根据电机的要求，可由运算放大器的放大比求出d a 转换器输出的 最大电压值，既参考电源电压。在d a 输出为额定值时，分别调节o p 0 7 和l m 3 1 7 上的电位器，使输出达到设计的要求。表( 4 1 ) 为本文的样机在额定电压为1 2 v 、 3 2 细分情况下，在不同输出点得到的电压值。 表( 4 1 ) 电路中个点的输出电压值( v ) 妾堕堕：壹坌堂皇墅筮翌垫垫查塑堑塞一一j 塑g ! l 电机a 绕组1 2 0 3 1 2 叭1 1 9 71 1 9 1 1 81 1 6 7 1 1 5 1 相电压 电机b 绕组0 o 5 91 1 8 1 7 72 1 3 52 9 2 3 4 9 相电压 步数 78 91 0 1 1 1 21 3 转换器的a 9 6 69 4 8 9 2 79 0 5 8 88 5 3 8 2 4 相电压 转换器的b 3 4 53 9 3 4 3 84 8 45 2 7 5 76 1 1 相电压 o p 0 7 的a9 0 5 8 8 48 68 3 4 8 0 5 7 7 37 3 9 相电压 o p 0 7 的b 1 7 8 2 , 3 42 8 8 3 4 13 9 2 4 4 24 9 相电压 电机a 绕组1 1 3 3 1 1 1 21 0 8 81 0 6 0 1 0 3 21 0 0 0 9 6 6 相电压 电机b 绕组4 0 5 4 6 15 1 5 5 6 76 1 8 6 6 97 1 7 相电压 步数 1 4 1 51 61 7 1 81 9 2 0 转换器的a 7 9 37 6 7 2 56 8 9 6 56 1 1 5 7 相电压 转换器的b 6 5 6 8 97 2 5 7 6 7 9 38 2 4 8 5 3 相电压 o p 0 7 的a 7 0 3 6 6 56 2 4 5 8 15 3 6 4 94 4 2 相电压 o p 0 7 的b5 3 7 5 8 2 6 2 46 6 5 7 0 47 4 7 7 4 相电压 电机a 绕组9 2 9 8 9 1 8 5 18 0 8 7 6 37 1 7 6 6 9 相电压 一 1 高精度、高分辨电细分驱动技术的研究 第四章 电机b 绕组7 6 3 相电压 步数 2 l 转换器的a 5 2 7 相电压 转换器的b 8 - 8 相电压 o p 0 7 的a3 9 2 相电压 o p 0 7 的b8 0 6 相电压 8 0 88 5 18 9 l9 2 9 9 6 61 0 0 0 2 22 32 42 5 4 8 44 _ 3 83 9 33 4 5 2 62 7 2 9 82 4 9 9 0 59 2 79 4 89 6 69 - 8 29 9 5 3 4 12 8 82 3 41 7 81 2 20 6 5 8 3 58 6 18 8 59 0 69 2 49 4 电机a 绕组6 1 8 5 6 75 1 54 6 14 0 53 4 92 9 2 相电压 电机b 绕组1 0 3 2 l o 6 0l o 8 81 1 1 2l l - 3 31 1 5 11 1 6 7 相电压 步数 2 82 93 03 13 2 转换器的a 21 5lo 50 相电压 转换器的b l o 0 61 0 1 5l o 2 11 0 2 51 0 2 6 相电压 o p 0 7 的a0 0 7 一o 5一1 0 91 6 72 2 6 相电压 o p 0 7 的b9 5 3 9 6 39 79 7 59 7 5 相电压 电机a 绕组2 3 5 1 7 71 1 80 5 90 相电压 电机b 绕组1 1 8 1 1 91 1 9 71 2 0 11 2 0 3 相电压 堕塑堕：亟坌塑皇墅坌翌垫垫查塑堑塞 差婴童 4 4 3 驱动电路的设计 功率开关管是驱动电路中的关键部分，影响着整个系统的功耗和体积。驱动器件 采用m o s 管，使驱动损耗降到最低限度。m o s 管为场效应式三极管，它在导通时为 电阻状态，内阻很小，开关过程中损耗也极小：而普通三极管导通时管压降约为o 5 v 左右，且开关损耗大。目前选用的步进电机要求输出电流为0 4 a ，据此可估计一下 不同的驱动管的损耗情况。普通三极管导通损耗为0 4 a x 0 5