（物理电子学专业论文）步进电机驱动器.pdf

摘要 步进电动机本体、步进电动机驱动器和控制器构成步进电动机系统 不可分割的三大部分。本论文在比较了各种驱动电路优缺点的基础上， 采用细分驱动原理m c s 5 1 单片机作为中心控制单元。 本系统的控制环节由中央处理器8 0 3 1 、三态收发器7 4 l s 2 4 4 、地址 译码器7 4 l s l 3 8 、d a 转换器、高速运算放大器l m 3 1 8 等组成。主要 是给出预定的阶梯波电流信号，检测绕组电流值，并将其与给定信号相 比较，然后给出特定的脉冲驱动信号，驱动功率管进行开通和关断。驱 动电路使用的是驱动模块t l p 2 5 0 。论文对各部分电路的工作原理及调 试结果作了详细讨论。从调试结果可以看出，本系统绕组电流波形清晰， 电路工作稳定，基本达到了预期目的，是一种可行的驱动方案最后对 单片机细分驱动系统抗干扰作了部分研究。 关键词：电机控制器电机驱动器步进电机细分m g s - 5 1 单片机 a b s t r a c t t h e s y s t e mo fs t e pm o t o rc o n s i s t so f t h em a i nb o d yo fs t e pm o t o r s t e p m o t o r 越e ra n dc o n t r o l l e r , i nt h ep a p e r , b a s e do nc o m p a 6 n g 喇t hm e r i t sa n d d e m e r i t so f e v e r yk i n d so fd r i v i n gc i r c u i t ，t h es y s t e mo fd r i v e rc o n t r o l l e ri s d e s i g n e db yu s i n gt h es u b d i v i s i o nd r i v i n gp r i n c i p l ea n d m c s - 51 s i n g l e c h i p i su s e da st h ec e n t e r o f c o n t r o l l i n gu n i t t h ec o n t r o lt a c h eo ft h e s y s t e m c o n s i s t so fc p u8 0 3 1 , t r i s t a t e t r a n s c e i v e r7 4 l s 2 4 5 ，t r i s t a t eb u f f e n 1 i n ed r i v e r7 4 l s 2 4 j 4 ，a d d r e s se n c o d e r 7 4 l s l 3 8 ，d ac o n v e r t o r ，a n dh i g l ls p e e do p e r a t i o n a la m p l i f i e r ；i tm a i n l y p r o d u c e ss c h e d u l e d l a d d e rw a v e ，t e s t st h ec u r r e n to f s t e pm o t o rw i n d i n g a n d c o m p a r e s t h ec u r r e n tw i t ht h e g i v e ns i g n a l t h e ng i v e so u d e p a d t i n gi m p u l s e d r i v i n gs i g n a l ；w h i c h c a l ls w i t c ho no rs h u tt h ed r i v i n gp o w e r t u b e d r i v i n g c i r c u i ti sr e a l i z e d b yd r i v i n gm o d u l et l p 2 5 0 t h ep a p e r d i s c u s s e s d e t a i l e d l y t h e p r i n c i p l e o fa l lc i r c u i t sa n dt h e d e b u g g m gr e s u l t s t h e d e b u g g i n gr e s u l t sp r o v et h ew i n d i n gc u r r e n tw a v ei sc l e a r ，t h ec i r c u i ti s s t e a d y ，t h es y s t e mb a s i c a l l ya c h i e v e se x p e c t a n tr e q u i r e m e n t sa n d i ti s d o a b l e f i n a l l y t h ep a p e rs t u d i e st h ea n t i - j a m m i n go fs i n g l e c h i ps u m i v i s i o n d r i v i n gs y s t e m k e y w o r d s ：m o t o rc o n t r o l l e rm o t o rd r i v e r s t e pm o t o r s u b d i v i s i o n m c s 5 1 蜘g l e e b i p 第一章绪论 1 - 1 步进电机及其发展 步选电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为s t e pm o t o t 或 s t e p p i n gm o t o r 、p u l s el n o t o r 、s t e p p e rs e r v o 、s t e p p e r ，等等。 目前，随着电子技术控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统 电机分类间的界面越来越模糊。这是机电一体化元件组件的必然趋势。 就传统的步进电机来说，可以简单地定义为，根据输入的脉冲信号，每 改变一次励磁状态就前进一定角度( 或长度) ，若不改变励磁状态则保 持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，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脉 冲频率同步的同步电机。 步进电机的机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18 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。这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泊和飞机等独 立系统中广泛应用。 2 0 世纪6 0 年代后期，在步进电机本体方面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进了步进电机 在众多领域的应用。在近3 0 年间，步进电机迅速地发展并成熟起来。 从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电机、异步电机，以及同步电 机并列，从而成为电机的一种基本类型。 传统的步进电机一般可分为永磁式步进电机( p ms t e pm o t o r ) ，反 应式步进电机( v rs t e pm o t o r ) 和混合式步进电机( h y b r i ds t e pm o t 0 1 - ) 三种。永磁式步进电机类似于永磁转子的同步电机，转子上安装有永磁 体，但定子一般为集中式绕组。反应式步进电机靠变磁阻原理运行，没 有永磁体混合式步进电机最初是作为一种低速驱动用的交流同步电机 而设计的，后来发现如果各相绕组通以直流脉冲，这种电机也能步进运 动。它的转子嵌有轴向充磁磁钢，主要铱靠定转子磁场相互作用产生转 矩，由于它特殊的结构，它的步距角远小于永磁式步进电机，也可看成 是一种极对数很多的永磁式转子同步电机。 我国步进电机的研究及制造始于本世纪5 0 年代后期。从5 0 年代后 期到6 0 年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用 或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。7 0 年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面 的长足进步外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高水 平。7 0 年代中期至8 0 年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电机不 断被开发。自8 0 年代中期以来，由于对步进电机精确模型做了大量研 究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。 自本世纪中叶，步进电机的应用渗透到数字控制的各个领域，尤其 在( 数控) 机械中广泛利用其开环控制的特点。近十几年来，步进电机 在0 a 机器( a u t o m a ti o n ) 、f a 机器( f a c t o r ya u t o m a ti o n ) 和计算机 外部设备等领域作为控制用电动机和驱动用电动机而广泛使用。 1 - 2 步进电机驱动控制系统 在控制领域，步进电机只有构成一个步进电机控制系统才能发挥它 的作用。图1 1 即为步进电机控制系统的基本框图。 控制 电路 脉冲 分配器 前置 放大器 功率 放大器耄蓑h 负载 图1 1 1 步进电机控制系统的基本框图 通常，把逻辑控制电路、脉冲分配器等归于控制部分，可由专用集 成电路组成，也可由微机担任；而前置放大器、功率放大器等电路与直 流供电电源组成了功率驱动电源。由控制部分产生并分配驱动脉冲，脉 2 冲信号经前置放大器和功率驱动器放大后驱动步进电机带动负载运动。 步进电机的控制电路的种类较多，大体上分为逻辑控制部分和功率 驱动部分，其运行性能的优劣与功率驱动部分直接相关。一个性能优良 的功率驱动电路能够保证步进电机在较宽的频率范围内平稳且可靠地 运行。以前，步逆电机的相序控制信号是由环形分配器产生，缺少灵活 性。现在通过软件实现方便灵活。一般控制方法是由逻辑控制电路产生 一定规律的脉冲经过隔离放大，然后驱动功率管向步进电机控制绕纽输 入电流，使其产生励磁形成空间运动磁场，驱动转子运动。步进电机功 率驱动部分与其运行性能休戚相关，在设计功率驱动电路时，需要考虑 的因素很多。本系统采用m c s 5 1 单片机作为中心控制单元，细分驱动 电路。 3 第二章步进电机各种驱动电路的比较 2 - 1 引言 步进电机不能直接接到交直流电源上_ t - 作，而曲须使用专用设备一 步迸电机驱动器。步迸电机驱动系统的性能，除与电机自身的性能有关 外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。因此，对步进电机驱动器的 研究几乎是与对步进电机的研究同步进行的。 在设计功率驱动电路时，需要考虑的因素很多，步进电机的参数可 能因制造公差而发生变化首先，如冲片齿和极的分度误差：在多段结构 中，每段之间的相互错位的精度不够；定子和转子之间的气隙不均匀，磁 性材料不够均匀：由于齿或极身的宽度不均匀以及通电相数不同导致漏 磁通不一样，都会引起磁路的饱和程度不同，上述等因素都会引起步进 电机参数变化其次，运行情况不同也会引起步进电机参数变化，如通电 方式不对称，最大静转矩相差较多；单步运行和高速运行：控制绕组的 不同温升，其电阻值随温度变化而变化；此外，多数步进电机设计时，考 虑了饱和运行情况，尤其是低速单步运行，控制绕组的电感将随电流的 大小而变化；反应式步进电机控制绕组的电感同时与转子的位置有关。 以上等情况都会影响步进电杌参数变化对电源来说，步进电机的控制 绕组是感性负载，电机运行时，控制绕组将产生与电源相反的感应电动 势对电源起抑制作用，除了考虑电机的参数变化以外，所使用的功率m o s 管的耐压值和流过的电流要留有足够的余量。尤其是在斩波驱动时，功 率管处于频繁地开通和关断，容易激起浪涌电压，因此，功率m o s 管6 耐压值要高，以免瞬间高压导致其失效。为了提高功率m o s 管的可靠性， 可以在其漏极和源极之间并联压敏电阻。如果压敏电阻的响应速度不够 快，也就起不到抑制浪涌电压的作用。由于控制绕组构成的主回路存在 时间常数，电流增加和衰减均需要一定时问。当步迸电机高速运行时， 电流不能立即衰减到零。如果步进电机运行频率足够高，各相控制绕组 都有一不为零的电流分量，合成电磁转矩有一部分相互抵消，增加了控 4 制绕组的铜损，步进电机矩频特性不硬。在控制绕组断电时，必须对可 能产生的浪涌电压进行抑制。有无源抑制和有源抑制两种方法。当采用 无源抑制时，断电相能量绝大部分是消耗在抑制回路之中，因此，功率 驱动电路的效率较低。而采用有源抑制时，断电相能量将回馈到电源和 通电相。因此，功率驱动电路的效率较高。总之，在设计驱动电路时， 必须综合考虑各种存在的实际因数。 2 - 2 单电压驱动 脉冲时，功率管导通。若设电机控制绕组的电感为l 。 的串联电阻是r 。，忽略功率m o s 的导通电阻，则 u = i ( r 。十r 。) 十。坐d t r 2 煮卜寺) 风十月。lj 舯和焘 + u r d d 当v m o s 管栅极加 电阻为r 。，与其 2 1 2 2 图2 1 从步进电机控制绕组电流的变化规律可知，当功率m o s 管导通时 5 要使控制绕组电流迅速上升至额定值，必须加大串联电阻r 。的阻值。为 了保证与未加串联电阻时的电流稳态值相等，必然提高控制绕组的电源 电压。显而易见，势必加大电源容量，当功率m o s 管关断时，电流变化 规律如下： ，r 一1 i ；一! e 23 r 。r 。r d r 其中l ：兰l 一 “ 只。+ r 。+ 月d 要使控制绕组电流迅速衰减到零，盛须减小回路的时闻常数。一般的方 法是增大抑制回路中串入的电阻r 。阻值，以减小时间常数，可以加快断 电相电流衰减速度，改善步进电机的矩频特性。但是，串入电阻将加大 功耗，降低功放电路的功率。由于器件参数随温度变化而改变。因此， 必须具备相应的散热条件才能保证电路稳定可靠地工作。单电压功率驱 动电路的优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高。缺点是由 于串入电阻后，功耗加大。因此，整个功率驱动电路的效率较低，仅适 合于驱动小功率步进电机或对步进电机运行性能要求不高的情况。 2 - 3 高低压驱动 为了提高控制绕组电流上升和衰减速度，通电时，电流在较短时间 内达到额定值，断电时，电流迅速衰减为零。同时，功率驱动电路具有 较高的效率。采用高低压驱动可以达到上述要求。无论电动机工作频率 如何，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前 沿过后用低电压来维持绕组的电流。这就是高低压驱动电路的基本方 法。采取过电压驱动，可以提高步进电机高频运行时的矩频特性。高低 压驱动电路如图2 2 所示： m 。和m ：分别称为低压管和高压管，它们栅极的控制信号为同频率 脉冲。但具有不同占空系数，高压管控制脉冲信号的占空系数较小，低 压管的控制脉冲信号的占空系数较大，波形起始上升点要求一致。因为， u w 当高压管导通时，如果低压管的开启脉冲滞后，高压电源没有形成回路 控制绕组的电流无法建立，电动机不可能正常工作。现在分析其工作原 当两管同时开通时，由于二极管d 1 的正极接低压电源，负极由于 高压管导通而与高压电源相连。d i 两端承受反电压而截止，将低压电 源与步进电机的控制绕组隔断。于是在高电源的作用下，控制绕组的电 流迅速上升。电流的稳态值是： 小格 z 。 控制绕组电流变化规律如下： 卜燕卜寺) z 。 舯和靠 从式2 - 5 可以看出，电路的时间常数没有变化。一般近似认为经 过3 t 。后，电流达到稳态值。设计高低压驱动时，电流稳态值可以高出 步进电机额定值若干倍。因此，尽管电路的时间常数不变，但电流上升 速率加快，达到步迸电机额定电流所需时问缩短。经过高压管一个控制 周期的导通时间之后电流达到一定值，高压管截止。由于低压管一直导 7 通，控制绕组两端的电压反向，d 1 正偏而导通。因此控制绕组立即切 换到由低压电源供电。电流的稳态值是： ，：二l 2 - 6 r 。+ r 。 控制绕组电流的变化规律是： 铲燕+ 燕卜 ) _ 燕p “ ：一， 其中t 。= t h ，t 是高压管导通时间。对上式求导得： 堕；一姓f j l f l 一。寺1 一旦1 。一挚2 8 d t l 。 i 以+ 尺。lj 尺。+ 月。| 从上式可以看出，当高压管截止时，如果此刻控制绕组的电流大 于低压电源工作时的稳态值，即： 型l f l 一。专1 一生，o 2 9 r ，+ 胄。ij r ，+ r 电流开始衰减，然后趋近低电源工作时的稳态值。 - 3 高压管截止时，如 果此刻控制绕组的电流小于低压电源工作时的稳态值，即上式小于零。 控制绕组的电流继续上升，但电流上升速率变小。当低压管的控制信号 导通时间结束时，低压管截止，控制绕组中的电流经二极管回馈到高压 电源，高压电源对电流起阻碍作用，电流很快衰减，忽略二极管的导通 压降和导通电阻后，等效电路如下： 图2 3 u l u n 8 由上图习得： l 。妄+ f k + r ) 十u * 也- ( ) 为了简化表述，设控制绕组续流开始时电流的瞬时值为i 导通时间代入式2 - 7 即可求出i 。续流时电流稳态值是： 铲一糌 求解式2 10 可得： b 器rr + 卜糕r ，+ 。i ”，+ rj 将上式对时间求导得： 2 一lo 将低压管的 2 1 1 2 一l2 d _ i 一坠生f 竺! 二堕1 。一毒。o 2 - 13 d t l ，i 。月。+ r 。j 由上式可知，高低压电源的大小相差越大，步进电机控制绕组的 电流衰减越快，将断电相的电能迅速回馈给高压电源和通电相。因此激 起的浪涌电压也就越高，抑制电路的二板管需采用高耐压值的快恢复二 极管。由以上分析可见，高低压驱动可以在较宽频率范围内使控制绕组 保持较高的平均电流。当高压管和低压管均截止时，控制绕组电流快速 衰减，将电能回馈到电源和通电相，同时控制绕组可以串较小电阻或干 脆不串电阻。因此，驱动电路的效率较高。步进电机采用高低压驱动时， 高频特性较好。由于高压工作是电流的稳态值远大于步进电机电流的额 定值。因此，在低频尤其是单步运行时，由于高压管的导通时间不变， 输入控制绕组的能量过多，是步进电机低频运行时振荡加剧。如果在转 子加上适当的阻尼可以减弱或消除振荡。为了克服高低压驱动存在低频 振荡的缺点，低频工作时，通过减小高压管控制脉冲占空系数，控制绕 组不因输入能量过多而产生振荡。高低压驱动电路使步进电机获得较好 的矩频特性，然而，电路较单电压驱动复杂，可靠性降低。一旦高压管 失控，控制绕组的电流会急剧上升，超过额定值，很可能烧毁电动机。 因此，必须有过流保护电路。一种方法是在主回路串联电阻，另一种方 9 法是用隔离放大器检测控制绕组的电流，然后与给定值进行比较，依据 比较结果开放或关闭功率驱动电路。 2 - 4 斩波驱动 恒流斩波驱动的基本方法有两种：一种是自激式恒流斩波驱动； 另一种是他激式恒流斩波驱动，自激式恒流斩波电路框图如下： 图2 4 下面讨论自激式恒流斩波驱动电路的工作原理。为了能使电动机 的控制绕组电流保持在一定值，必须构成闭环从而形成负反馈自动调节 电流的大小。因此，一般方法是在控制绕组回路中串入一阻值较小的电 阻。然后，检测电阻两端的电压就可以得知电动机控制绕组电流大小。 将给定值和检测到的电压进行比较，其结果控制功率管的导通与截止， 从而自动调节电流的大小。从理论上讲，自激式恒流斩波驱动可以将电 动机控制绕组的电流控制在某一恒定值。但是，实际应用时，步进电机 控制绕组的电感是一个随电流和角度变化而变化的量。由于实际器件的 引脚和引线都存在电感和电容。实际工作时，往往产生自激振荡，而振 荡频率是变化的，电流的斩波频率也是可变的因斩波在控制绕组中激 起很高的浪涌电压，对控制电路形成较强的干扰。在一个步进周期中， 这种振荡一般是不可控的。所以，自激式恒流斩波驱动电路可靠性较差。 步进电机容易出现振荡从而无法正常运行。它激式恒流斩波电路框图如 图2 5 所示。 1 0 图2 5 它激式恒流斩波的斩波频率是受外电路控制的，功率驱动电路不 可能产生振荡。但是，由于各种非线性因素的影响，比较器的输出脉冲 频率和占空系数都是可变的。而触发脉冲的频率是恒定的，由于d 触发 器一般是上升沿触发的。当导通脉冲宽度小于两个连续触发脉冲上升沿 的宽度且位于其间时，功率m o s 管的导通控制脉冲将丢失。除上述情况 以外，一旦触发脉冲的上升沿不与比较器输出控制脉冲的上升沿同步， 控制脉冲的导通时间将被截短，当电源电压较高时，且斩波频率又较低， 电流的波动较大。为了减小电流的波动可以适当提高d 触发器的时钟频 率。 2 - 5 调频调压驱动 调频调压方法的基本思想是：随着步进电机运行频率的提高，同时提高 功率放大电路的电源电压；当步进电机的运行频率降低时，司时降低功 率放大电路电源电压。以期补偿因运行频率上升输出转矩下降，得到矩 频特性是一条水平直线。从理论上讲有一定指导意义，而买苛上由于步 进电机参数受到各种实际因素的影响，转矩与频率的关系往往只能通过 实验测得，很难由理论计算碍到。步进电机的矩频特性一般情况是非线 性的，用一条直线近似必然出入较大。所以，用调频调压驱动实现如此 理想的矩频特性是不可能的。将直流电源通过降压变换器提供给电动机 控制绕组。单片机控制的调频调压的电路示意图如下： 图2 6 依据步进电机的运行频率，改变调压管的占空系数，实现电动机工作电 源电压的升降。现在简要分析电路的工作原理。当功率m o s 管栅极加八 一定占空系数的控制脉冲时，功率管导通。电感l 上产生感应电压，方 向是左正右负。由于电容两端电压不能突变，直流电源通过电感向电容 充电，如果控制脉冲的占空系数足够大，在电流上升率为零时，电容两端 的电压和直流电源的电压相等，充电结束。当功率m o s 管关断时，电感 两端的电压反向变成左负右正，二极管正偏而导通，电感和电容都向电 机的控制绕组提供能量。 下面定量分析输入输出关系。当调压管导通时，由电路可得 u 一u 。：堕 2 - 14 。 出 由上式可得 卜o ) + 知p ，- u 2 如 z 。一= 圭 ，一u ： 佣+ z 。 2 15 2 1 6 r 是调压管导通时刻，t 。是调压管导通时间，i 是稳态时，电感电流 的最小值。 当调压管截止时，忽略二极管的导通压降可得 l d i _ 羔l + u ：o 2 一l7 出 。 由上式可得 i l 5 z 0 岷) 一i 1 ，尸+ t n z 曲 2 。1 8 k ：一争f o f f “一 2 - 1 9 。屯一一亍l 一 2 州 由式2 - l6 和上式可得 u 2 ：量一u l 2 - 20 f + t o f f 1 式中to r t 是调压管的截止时间6 是调压信号占空系数。u 。是输入电压， u ：是步进电机控制绕组电源电压。因此，输出电压与输入电压的关系如 下： u 2 = 6 u i 2 - 2 1 电感在释放能量时，二板管d 通过地为其提供通路。从上式可以看出， 改变功率m o s 管栅极控制脉冲的占空系数，就可调整电动机工作电源电 压。 从理论上讲，调频调压基本克服了单电压驱动、高低压驱动、恒 流斩波驱动等电路的不足。矩频特性较硬，能够在较宽的频率范围内运 行。但是，无法克服步进电机因受步距角限制而不能实现多种步距角控 制。只有与单拍和双拍运行时相对应的两种步距角。 总而言之，以上各种驱动电路都有一个共同的不足，就是不能利 用步进电机实现多种步距角控制。 2 细分驱动 步进电机是由脉冲电压供电的，对应一个电压脉冲，转子转动一步， 即转动一个步距角。在一般情况下，根据电压脉冲的分配方式，步进电 机各相绕组的电流轮流切换，从而使电机的转子步进旋转。如果每次输 入脉；中切换时，只改变对应绕组中额定电流的一部分，那么转子相应的 每步转动也只会是原有步距角的一部分。额定电流分成多少个级别进行 切换。转子就以多少步来转完一个原有的步距角。很明显，通过控制绕 组电流的数值可以调整步进电机步距的大小。也就是说把步距角细分成 若干步来完成，故这种步进电机的控制方式称为细分控制。这种驱动电 路的结构比较复杂，但是有以下优点： 1 ) 不改变电机内部参数的情况下，能使步距角减小，步进误差减 小，提高了分辨率和步进精度； 2 ) 减弱了低频率振荡问题。经过细分后，驱动电流的变化幅度大 大减小，故转子到达平衡位置时的过剩能量也大大减少；另一 方面，控制信号的频率提高了n 倍( 细分数) ，故可远离转子的 低频谐振频率。因此，运用细分驱动不仅能使电机运行平稳， 而且还能减弱或消除振荡； 3 ) 增加了运行拍数，故可获得较大的启动转矩。 近年来，随着微型计算机的发展，将单片机用于细分驱动控制电路， 使这种驱动器的性能和灵活性都有了质的飞跃。本课题使用的就是以 m c s - 5 1 单片机来控制的细分驱动电路。下面我们以三相单段反应式步 进电机为例来深入了解一下细分驱动的基本原理。 首先，为了简便要对电机系统作一些必要的而又不影响结果正确的 简化：1 假设电机磁路不会饱和，是纯线性系统；2 各相绕组间的互感 忽略不计。事实上，第一点在大多数情况下满足，至于第二点由于相绕 组在分开的定子齿上，互感不大，故忽略几相励磁时由互感产生的转矩 而引起的误差也不会太大。在这样的电机系统中，转矩t 表达式如下： ，a w l 如，日j。 o 一一 一 d 臼 式中，盯为磁场储能，甲为绕组磁链，0 为转子齿偏离该相定子齿的 角度，负号表示转矩的方向指向磁场能量减小的方向对于线性系统： 肌一i l ( o ，2 2 23 式中三p ) 是绕组电感。故： 1 4 r ；一三f z a l ( o ) 2a 8 224 而上p ) = mc o s o ，式中m 为峰值。故： 丁：! f 2 ms i n o ：a i 2 s i n 82 - 25 z 式中，a ：三 ，。 2 对于三相电机绕组，它们各相相差1 2 0 0 ，以a 相为基准，则各相绕组的 电磁转矩为： l a i 2s i n o 一彳f ；s i n 6 9 1 2 0 。) 2 - 2 6 毛一彳由p + 1 2 0 。) 其中，a 为各相电流幅值。当两相励磁，且两相通以相同的电流时，转 子的平衡位置在两相单独励磁时的位置中间。那么，当两相绕组同时通 以不同的电流又如何呢? 假设a 相绕组电流为1 安培。而b 相绕组电流 为二安培，则： l = a s i n o - 乙= 矿as 访( 9 - 1 2 0 0 ) 227 则合成转矩为 将用矢量图表示 。爿卜嘉s 访( 9 也。0 ) z 嘲 图2 7 由图豫= t 孵 1 一三 2 n 1 f _ 1 享1 的方向位 于l 和之间，乙越大，越靠近；反之，越小，越靠近l 采用细分方法时，对应每一步的合成转矩将由上述t 。的表达式决定。 当a 一3 0 0 时，变得最小，为l 的0 8 6 6 倍。但的角度o 【与n 不 成线性关系。也就是说，将i 。等分，合成的步距角并不等分。要想细分 电流后得到的步距角相等，在工程运用中最简便可靠的方法就是通过实 验得到各相电流的细分值。也可用上述s a 的表达式计算出对应的n 值。由此可以看出，如果分成n 次将b 相电流从零加到与a 相电流相 等的额定值，则转子分成n 步从a 相转到a 、b 两相中间的位置。也 就是说，以前的一个步距角被分成了n 步。这就是所谓“细分”。本质 上就是把对绕组的矩形波电流供电改为阶梯波电流供电。图2 8 画出了 三相步进电机采用细分驱动时a 、b 、c 各相电流的理想波形。 鬻笺 ：1 】：广。： ：_ ；酱3 一：一j ：l ：i 。： 图2 8 四细分驱动时a 、b 、c 相绕组电流理想波形 要获得阶梯波电流，通常采用以下几种方法： 1 ) 用多路功率开关电路供电，在绕组上进行电流迭加：这种方法 使功率管上的损耗小，但由于路数较多，因而元件多、体积大。 2 ) 先对脉冲信号进行迭加，在经功率管进行线性放大，获得阶梯 电流，这种方法的优点是所用元件少，但功率管功耗大，系统 效率低，如果管子工作在非线性区对会引起夫妻。 3 ) 数字脉宽调制细分驱动。这是一种功率管处于开关状态的细分 驱动功放电路。在功率管的控制极加上一系列恰当的脉宽调制 波，就可以得到细分控制所需的阶梯电流，这种细分驱动本质 上属于斩波驱动，因而功率管工作在开关状态，功率小，效率 高。又因阶梯信号由单片机给出，故细分数、电机转速等参数 可任意调节，灵活性较大。 第三章步进电机驱动电路的设计 由于细分驱动与其它驱动电路相比有较大的优越性，不仅解决了低 频运行不稳定问题，提高了电机转动的均匀性，消除了低速运行时的“步 进”感，而且减小了步距角，提高了分辨率，更由于单片机的出现使得 细分驱动更加具有灵活性，本课题主要采用数字脉宽调制细分驱动控制 电路，其细分控制原理图和功率驱动电路图分别见附录图1 和附录图2 ， 下面就来详细介绍各部分电路的设计。 3 1 设计主回路 图3 1 由图3 - 1 可知，主回路有两个功率管t 。和t ：、两个续流二极管d 。和 d ：、步进电机绕组l 和电流检测电路的取样部分组成。它的功能是在 + 8 0 v 的直流电压为电机供电的增况下，在控制电路的作周下使电机绕 组中的电流呈预定的阶梯波波形变化，完成步进电机细分驱动的功能， 它的结构与以前的驱动电路如定频斩波恒流驱动电路差不多，但它的两 1 8 个功率管的工作方式与在以前的电路中工作的方式有很大的不同。以前 在某相电机绕组通电的情况下，功率管t 工作在斩波状态，而功率管 t ，工作在一直导通的状态，这样在功率管t ，斩波期间关断时，电机绕 组l 所存储的磁场能量大部分没有通过电源放电，回馈到电源中，而是 通过检测电路、功率管t ：和续流二极管d ，放电，能量消耗在检测电路 中的检测电阻和电机绕组上，因此这种方法效率比较低且电机绕组容易 发热，另外在绕组电流的恒流阶段显然绕组存储的能量是慢慢地被采样 电阻和电机绕组消耗掉的，这就影响了绕组电流的下降速度，其结果将 影响我们实现恒频的效果，达不到消除噪声的目的；而我们现在是在让 功率管t ，、t ：工作在相同的方式即恒频斩波的方式下，同时开通，同 时关断，使得电机绕组l 所储存的能量大部分回到电源中，只有少部分 消耗在检测电阻和电机绕组上，则不仅提高了系统的效率，同时也加快 了绕组电流下降的速度，有助于实现定频的目的。 一、主电路理论计算 r a 三 i 。d t b 图3 2 功率管t ，、t ：开通时，等效电路如图3 2 ( a ) 所式，图中l 为电机 绕组电感，r 为开通通路电阻；功率管t ，t ：关断时等效电路如图 3 2 ( b ) 所式，此时r 。为续流通路电阻我们假设开通时间为t 。，关断 1 时间为t 。即开关频率为三一；开通时( 即t = o ) 电流初始值为i ，则 t + 瓦 1 9 u 9ll、fj，气山，ln丫ll 嗉瑚。2 “ “。 g g ： h 瓤小e 靠) 当t = t 。，t 。、t ，关断时，电路方程如下：( 为计算简便 r 。一工妄 乩0 # ，1 解得： 3 一l 3 2 记此时t = o ) 3 3 r = ，- e l i 去i 一等( - 一e i j i s 一4 当t = t 。，t ，t ，j 。开通时，i = 1 1 e i 凳i 一筹( 1 e 一矗) 5 ，。 当。，又开通时， = e “凡一l p 。r 一，。o 如j ： ，o ， 当t ，、t z 第二次开通后关断时， h 。e 击+ r u u _ i ( i _ e - l j r 瓷卜 。一s 显然，i 。 i ，而当t 。、t ：第二次关断后第三次开通时， 澍- e 一一u ri ( 1 - e - 笼卜 。吒 显然，“。，。如此不断开关下去，i 的平均值会越来越高。反之， 如，1 0c ，。，则i 的平均值会越来越小如出现上述两种情况，只有调 整t 、t 。的比值，使得10 i 。，i 的平均值才会保持不变。但就算调整 好了t ，、t 。，使i 的平均值保持稳定后如i 。再改变，即i 的初始值改变， 1 的平均值在开关期间还是会改变。故在设计电路时，尽量做到开通回 路与续流回路特t g - - 致，这才有利于恒频斩波。 以开关方式工作的电力电子器件是步进电机驱动电路的基本和核 心。自从晶闸管( s c r ) 问世以来，功率电子器件在各种功率变换电路 中获得了广泛的应用。目前应用得较多的开关管主要有：大功率晶体管 ( g t r ) 、功率场效应管( p o w e rm o s f e t ) ，绝缘栅型晶体管( i g b t ) 等 各种全控型功率开关器件。在步进电机驱动电路中，开关器件的选取对 主电路和控制电路的复杂程度以及系统的整体性都有很大的影响，因而 应合理的选择器件 g t r 是应用比较广泛的开关器件，和s c r 相比，开关控制方便，开 关时间短，导通饱和压降小，但其过载能力差，且它存在二次击穿的问 题，尤其这种开关管的驱动电路和缓冲电路比较复杂。它们常用于大功 率场合。 p o w e rm o s f e t 是一种电压控制器件，它的开关速度很高；没有二 次击穿的问题，安全工作区比较宽；有较强的过载能力、较高的开启电 压，抗干扰能力强；输入阻抗大，从而驱动功率小。其缺点是开关容量 小、耐压低、通态电阻较大。适合于中小功率场合。 i g b t 和m o s f e t 、g t r 相比较，i g b t 综合了这两种开关管的优点， 既保留了m o s f e t 门板输入阻抗高的优点，又具有g t r 导通压降小的特 点，开关容量大。但i g b t 的开关速度不太高，在其关断时有一个明显 的拖尾现象，这几年随着技术的发展，i g b t 的开关速度可以做得计较 高，但价格较贵他适用于大、中功率、频率不高的场合。 根据以上的分析，在中小功率变换装置中，b i o s f e t 和i g b t 较为普 遍应用。本系统要求开关管频率较高( 2 0 k h z 以上) 、功率小( 3 0 0 w ) ， 因此，采用了p o w e rm o s f e t 三、续流二板管的选取 因为步进电机的绕组是一个感性负载，其电流不能突变，因此当主 电路中的功率管t ，、t ：关断时必须为绕组提供一个释放能量的回路，使 得绕组电流能迅速续流，以防止绕组两端产生瞬时高压而使功率管击 穿这通常是利用续流二极管来完成的。这种二极管应能在功率管关断 时迅速导通来完成续流的功能；而当功率管开通时，二极管应能迅速关 断 本系统中开关管的工作频率比较高，因而对二极管的要求也比较 高，应能快速开通和关断，因此选择了恢复时间比较短的快恢复二极管 m u r 8 6 0 。 四、功率管驱动电路的设计 在步进电机驱动电路中，作为功率电路和控制电路连接的中间环节 一功率管驱动电路的作用是将控制电路输出信号的电乎放大到足以驱 动功率管的电平，实现其可靠的导通和关断，其性能的好坏与功率管的 开关速度和开关损耗密切相关。 m o s f e t 对驱动电路的主要要求有： 1 ) 触发脉冲要有足够快的上升沿和下降沿； 2 ) 开通时应通过低电阻回路给输入电容充电，关断时能给输入电 容提供低阻放电回路，以提高m o s f e t 的开关速度。 3 ) 触发脉冲的电压应高于m o s f e t 的开启电压，使其可靠触发导通。 4 ) 驱动电路在m o s f e t 导通瞬间应能提供足够大的驱动电流。 - 5 ) 驱动电路输出电阻要小，以加快关断时间，提高功率管抗半能 d f 力。 另外，系统的驱动电路还要求有良好的电气隔离性能，这是功率回 路和控制回路共同的要求。功率回路要求隔离是为了实现不同电平电路 的可靠接口；控制回路要求隔离，除了电平匹配要求以外，主要是为了 避免功率回路对控制回路产生干扰。 常用的隔离驱动方法有：光隔离驱动和磁耦隔离驱动。 1 ) 光耦隔离驱动光耦的输入和输出之司是通过光波来实现信号传 递的，其发光部分和受光部分在电气上是不接触的。在驱动电路中，光 耦可以方便地把不同的两部分电路互相连接起来，很好地解决了电平匹 配问题和电气隔离问题。但普遍的光耦有较大的传输延迟，在频率较高 的场合格须用高速光耦。 2 ) 磁耦隔离驱动磁耦隔离是利用变压器来传递信号的，它可以分 为驱动变压器和高频变压器两种前者变压器是工作在控制信号本身频 率下，它适用于需要传递的控制信号本身频率较高的场合中，否则会因 为变压器铁心的磁饱和而失去作用；后者是利用高频载波原理将需要传 递的控制信号调制到一个高频载波上，它甚至可以传递直流信号两种 磁隔离驱动器的传输延迟都可以做得很小。 本课题驱动电路使用的是驱动模块t l p 25 0 。它本质上是一光耦隔 离驱动器。这种集成驱动芯片体积小，结构紧凑，外围元件少，可靠元 件少，可靠性高。t l p 2 5 0 内有发光二板管和图腾柱输出电路，其最高 工作电压可达3 5 v ，典型的开关时间为0 5 - is ，峰值电流可这0 5 a ，可 以直接驱动p o w e rm o s f e t 。t l p 2 5 0 原理图及各管脚如下图所示： 珊 t l p 2 5 0 1 ：n o2 ：a n o d e3 ；c a t h o d e4 ：n o 5 ：v e e6 ：v o7 ：v o8 ：v c c 图3 3 3 - 2 控制环节的设计 控制环节的作用是给出预定的阶梯波电流信号，检测绕组电流值， 并将其与给定信号相比较，然后给出特定的脉冲驱动信号，驱动功率管 进4 - i - 开通和关断，使绕组中的电流与给定电流达到一致。由于控制电路 是弱电部分，所以它与强电部分的接口一一功率驱动部分和电流检测部 分必须与强电部分隔离。控制回路的框图如图3 4 所示： 图3 4 其中功率驱动部分及主回路部分还有电机部分都已在前面讲过了，下面 来讲讲控制部分各电路的设计 一、单片机逻辑控制原理与实现 给定信号( 预定的电流阶梯波信号) 的产生由微机控制系统来完成。 微机控制系统由中央处理器8 0 3 1 、三态收发器7 4 l s 2 4 5 和三态缓冲器 线驱动器7 4 l s 2 4 4 、地址译码器7 4 l s l3 8 、i v a 转换器、高速运算放大 器l m 3 1 8 等组成其结构原理图见附录图1 。 本系统d a 转换器用的是c m o s 单片8 位转换器d a c 0 8 3 2 ，它可以 和m c s 5 1 单片机直接相连本系统将三路d a 转换器接成二级缓冲工作 方式，可以满足三路同步转换输出的要求其工作过程如下： 1 7 4 l s l3 8 译码器产生片选信号c s ，依次选中三路i ) a 转换器， 将p o 口数据线上的数据锁存入d a c 0 83 2 的输入数据锁存器中。 2 7 4 l s l3 8 产生信号使三路d a c 0 8 3 2 的x f e r 有效，将输入寄存器 中内容锁存入0 8 3 2 的d a c 寄存器申进行转换。其中，三路0 8 3 2 分别与 7 4 l s l 3 8 的y 0 、y 。、y 2 相连，三路0 8 3 2 的x f e r都与7 4 l s l3 8 的y ， 相连，结合附录图1 可以看出：当a 、b 、c 都为低时，选通第一路0 8 3 2 ； 当a 为高，b 、c 为低时，选通第二路0 83 2 ；当b 为高，a 、c 为低时， 选通第三路0 83 2 ；当b 为低，a 、c 为高时，选通l ，即使丽有效。 而a 、b 、c 又通过三态缓冲器7 4 l s 2 4 4 分别与p 2 5 、p 2 6 、p 2 7 相连。 三路0 8 3 2 的片选信号地址和x f e r 信号地址分别为： l , 2焉b晶 ，k 、， - - 、，- - u ，- 一 0 0 0 x 默 ； o o l x x x ； ， 垒 曼 妥 。 曼 、 o i o x x ) 。c x x x ：i o l x x x x x x x ，“x ”可任取n 0 宴屯 “i ”，当“x ”全都取“1 ”时，则三路d a 转换器地址分别为：i f f f h 、 3 f f f h 、5 f f f h p ：口通过三态门7 4 l s 2 4 4 与三八译码器相连的目的是为 了增强p ：口的总线驱动能力。实践证明，如果不加总线驱动器，电路的 逻辑高电平很可能低于逻辑高电平的噪声容限，导致逻辑混乱，电路无 法工作。 o b o 】 b l ：j 三b b 2 3 ：；拿b b 4 j i 9 器 e d l r 图3 5 p 。口也通过三态门7 4 l s 2 4 5 与地址锁存器7 4 l s 3 73 相连，其目的也 是为了提高p 。口的驱动能力。p 。口既作为数据总线又作为地址总线的低 8 位分时使用，其使用频率很高，为确保数据的正确传输，必须提高总 线的驱动能力。图3 5 是7 4 l s 2 45 的管脚图，内有i 6 个三态门构成一 个双向驱动单元。e 和d i r 控制方向驱动。e 控制驱动器处于高阻状态， d i r 控制驱动器的数据流向：当d i r 为“0 ”时，数据由b 到a ；反之， 数据由a 到b 。将单片机r d 和p s e n 分别连接到与门7 4 l s 0 8 的两个输 入端与门的输出信号连接到7 4 l s 2 4 5 的d i r 控制数据的传输方向。 放大器l m 3 1 8 的作用是将o a 转换器输出的电流信号转换成电压信 号，供后续电路使用。 二、电流检测环节的设计 检测电路与前面讲的m o s f e t 驱动电路一样，也是功率电路与控制 电路的接口部分，显然，需要进行电气上的隔离。目前，常用的检测隔 离元件有霍尔元件、电流互