步进电机驱动设计__毕业设计论文

步进电机驱动设计系别机电与自动化学院专业班电气工程及其自动化姓名学号指导教师2012年6月步进电机驱动设计THEDESIGNOFSTEPPERMOTORDRIVE摘要本文在系统分析了步进电机应用和发展的基础上，对步进电机的驱动技术作了详尽的论述，建立了三相反应式步进电动机的数学模型，并利用该模型对斩波驱动的步进电机绕组电流及空载运行的启动频率等进行了仿真，为步进电机驱动系统的设计提供了依据。设计了一套包括控制器、环形分配器和功率放大器在内的步进电机斩波驱动器，该驱动器包括比较完善的信号隔离及保护环节，特别是其环形分配器的设计，采用了新型的可编程逻辑器件GAL设计，使其具有灵活、可靠、体积小且实时性强的优点经实验验证，该驱动器绕组电流上升速度快，关断迅速，电流波形较好。整机运行性能较好，能满足工件加工的速度及精度要求。设计了适合三相反应式步进电动机的细分驱动器，在功率驱动中采用了大功率VMOS器件，在细分环形分配器设计中采用了两片GAL，使整个电路具有较高的运行性能，开关迅速，功耗小，体积较小，可靠性较高。关键词步进电机斩波驱动器环形分配器细分驱动器ABSTRACTBASEDONTHESYSTEMATICANALYSESOFTHEAPPLICATIONSANDDEVELOPMENTSOFSTEPMOTOR,THEDRIVINGTECHNIQUEOFSTEPMOTORAREANALYZEDINTHISPAPER,ANDUPONTHESESTATEMENTS,AMATHEMATICALMODELOFVRSTEPMOTORISBUILTWITHTHISMODEL,THECOILCURRENTOFSTEPMOTORWITHCHOPPINGDRIVERANDTHENONLEADEDSTARTINGFREQUENCYARESIMULATEDFORTHEBASEOFDESIGNINGOFDESIGNINGOFSTEPMOTORSERVOSYSTEMASTEPMOTORCHOPPINGDRIVER,INCLUDINGCONTROLLER,CIRCULARDISTRIBUTOR,POWERAMPLIFIER,SIGNALSEPARATORANDCIRCUITBREAKERISDEVELOPEDESPECIALLYTHEDESIGNINGOFTHECIRCULARDISTRIBUTOR,THEADOPTINGOFTHENEWLOGICALDEVICEGAL,WHICHHAVEMANYADVANTAGESOFHIGHFLEXIBILITYANDRELIABILITYITISSHOWNINEXPERIMENTTHATITHASAHIGHRISESPEEDOFCOILCURRENTANDAGOODCURRENTWAVEFORMOVERALLTESTSHOWSTHATTHEDRIVERHASAHIGHPERFORMANCEAMICROSTEPPINGDRIVERFORVRSTEPMOTORISDESIGNEDINPOWERDRIVECIRCUIT,AKINDOFPOWERTRANSISTORVMOSISADOPTEDINDESIGNINGOFTHEMICROSTEPCIRCULARDISTRIBUTOR,TWOPIECEOFGALANDEPROMAREUSEDALLTHECHANGESMADETHEOVERALLCIRCUITHASAHIGHERRUNNINGPERFORMANCE,FASTSWITCHINGTIME,SMALLPOWERDISSIPATIONANDVOLUMEKEYWORDSSTEPPERMOTORCIRCULARDISTRIBUTORCONSTANTCURRENTCHOPPINGDRIVEMICROSTEPPINGDRIVE目录摘要IABSTRACTII绪论11步进电机驱动器简介211课题的研究意义212步进电机驱动器原理简介2121步进电机驱动器运行原理2122步进电机驱动器的结构22步进电机的驱动电源321晶体管单电压驱动电源322高低压供电驱动电源323横流斩波驱动电源324步进电机细分驱动3241放大型细分驱动技术4242脉宽调制（PWM）细分驱动4243微机控制的步进电机细分驱动技术425步进电机的环形分配器53步进电机驱动技术的理论技术631步进电机的数学模型632步进电机的矩角特性7321步进电机的通电方式与其合成转矩的关系7322通电方式与布矩角的关系1033步进电机的细分驱动技术10331细分控制原理11332只有一相电流变化12333两相电流同时变化1334细分驱动的实现1535步进电机的升降频技术1736步进电机动态性能仿真214步进电机斩波驱动电源设计2241恒流斩波驱动原理2242斩波驱动器的功率驱动部分设计22421电压隔离接口22422电路的恒流斩波驱动原理23423续流回路23424保护电路24425主要参数的确定25426性能分析2743斩波驱动的环形分配器设计27431环形分配器的设计要求28432逻辑设计28433GAL编程3144微机系统的硬件设计3145微机系统的软件设计32451步进电机的升降频控制33452系统监控程序设计355步进电机的细分驱动器设计3751电路整体设计3752动部分设计38521工作原理38522主要参数的确定3953细分的环形分配器设计41531细分的环形分配器设计要求41532环形分配器电路原理4154细分驱动器的软硬件设计42结论43致谢44参考文献45绪论现代机械制造技术是一个多技术紧密结合的技术族，其中数控技术是实现其最终目标的基础，它的发展和运用开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。目前世界各国都在大力发展数控技术，而且国外的数控加工系统在精度和自动化的程度上都达到了很高的水平。经历了几个五年计划的努力，我国的数控系统已经取得了很大的发展，六五期间的技术引进，七五期间的消化吸收，到八五末，我国已经自行研制开发了适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。但是，由于我国许多团体的影响，我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，利用率也不高。经济型数控在我国占有比较重要的地位，并起了很大的作用，它以单板机或单片机为数控核心，以步进电机为执行元件，由于其结构简单，价格便宜，只需一万元左右就可以装备一台经济型数控机床，很适合我国中小型企业使用。计表明八五期间，国内采用交、直流伺服驱动系统的数控机床仅占数控机床总数的15左右，其余80以上的数控机床则是采用步进电机作为执行元件。采用步进电机作为伺服执行元件，不仅可以应用于经济型数控伺服系统，而且也可以辅以先进的检测和反馈元件，组成高精度全闭环数控系列，从而达到很高的加工精度。在经济型数控系统中，有南京微分电机厂、南京大方股份有限公司生产的JWK系列、常州宝马集团公司生产的BK系统、上海开通机电科技公司开发的KT400K等，这些企业除了进一步提高系统的可靠性外，还在步进电动机的驱动电源控制技术、半闭环或闭环控制技术、各种专用的机械控制系统等方面进行研究开发，具有较好的市场前景。1步进电机驱动器简介11课题的研究意义在步进电机产生后的几十年里，随着控制技术及电子电路技术的提高，步进电机的驱动电源也有了长足的进展，从单电压驱动直到步进电机的细分驱动，这些电源与当时的技术条件等密切相关，它们各有自己的优缺点，但总的来说，早期的晶体管单电压驱动已趋于淘汰，而代之以高性能的恒流或细分驱动电源。近几年出现的步进电机恒流驱动技术，由于其极大的改善了驱动电流波形，而且取消了单电压驱动电路中的限流电阻，使驱动性能得到了极大提高，减少了电源功耗，在近几年研制的步进电机驱动电路中，基本上都用了恒流驱动技术，如各种斩波电路，PWM恒流驱动电路等。而细分驱动技术由于它在不改变电机本体结构的前提下，使步进电机的分辨率得到提高，而且可以减轻系统振荡，提高电机矩频特性等优点，使其在步进电机驱动技术中独树一帜，具有很大的发展前途。12步进电机驱动器原理简介121步进电机驱动器运行原理步进电机是一种作为控制用的特种电机,它的旋转是以固定的角度称为“步距角“一步一步运行的,其特点是没有积累误差精度为100,所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动,这种装置就是步进电机驱动器,它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移,或者说控制系统每发一个脉冲信号,通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速，控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位目的。122步进电机驱动器的结构步进电机从其结构形式上可分为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机、单相步进电机、平面步进电机等多种类型，在我国所采用的步进电机中以反应式步进电机为主。步进电机驱动器包括驱动电源、环形分配器和功率放大器等部分。2步进电机的驱动电源21晶体管单电压驱动电源它是最早产生的也是最简单的一种步进电机驱动电源，功率放大管根据环形分配器的输出脉冲导通或关闭，从而使步进电机绕组中得到脉动的电流以驱动电机运行，这种电路有如下特点1电机绕组主回路的供电电压只有一种。2为提高电流导通时回路电流上升的陡度，在驱动线路中需串接一个较大的电阻，以减小时间常数，但同时使电源效率大为降低，且必须采用冷却装置。3线路简单，成本最低，但只能用于一些小电感、小功率的步进电机。目前这种驱动电源己基本被高性能的驱动技术所淘汰。22高低压供电驱动电源它是在单电压供电的基础上为解决单电压驱动的快速性不好而发展起来的一种供电技术，其基本思路是，在脉冲来到时。在电机绕组的两端先施加一较高电压，从而使绕组的电流迅速建立，使电流建立时间大为缩短，在相电流建立起来之后，改用低电压，以维持相电流的大小，这样做，可以减小甚至去掉限流电阻，使电源的驱动效率大为提高。但这种双电压驱动电源有如下缺点1增加了一个高压电源，而使电源结构复杂，成本变高。2由于在脉冲加入时采用高电压供电，故对功放管的特性要求较高。虽然高低压驱动电源具有如上的缺点，但由于它极大地提高了步进电机的快速性，大大改善了步进电机的运行性能，所以这种驱动技术目前在我国的应用仍较普遍。23恒流斩波驱动电源由于双电压驱动电源电机绕组的电流波形较差，影响了电机的平稳运行，所以以此为出发点，发展了恒流驱动技术，恒流式驱动电源有多种形式，如反馈控制式恒流驱动、恒流斩波驱动、定频脉宽调制驱动技术及斩波型平滑驱动等等，它们各有特点，反馈控制式恒流驱动由于其功放管的导通与断开都不能较迅速完成，工作在放大状态下的时间较长，故功耗大、放热多，其性能较差。24步进电机细分驱动电源这种驱动电源与前几种驱动技术不同，前几种驱动技术是从电流波形及矩角特性等方面来改善驱动性能，没有提高步进电机的固有分辨率，而细分驱动是从另一个角度去提高步进电机的运行性能，它针对步进电机的分辨率及精度不高，精度与快速性相矛盾，动态中有丢步及振动、噪声大等缺点而产生的一种比较特殊而有效的驱动控制方式。其实质是步进电机在输入脉冲切换时，只改变相应绕组中的电流的一部分，即对相电流实施微量控制，利用各相电流的阶梯变化产生一系列的假想的磁极对，则转子对应的每步运动也相应只是原步距角的一部分，即达到细分的目的。近几年，国内对这种细分驱动技术的研究较多，但是尚缺乏实用化的产品，而国外虽然有通用的步进电机细分驱动器，但还存在着许多问题，例如价格昂贵，使步进电机的应用丧失了其低价优势，所以研制较高性价比的步进电机细分驱动器具有很大的实际意义。近几年提出的步进电机细分驱动电路较多，它们都分别从不同的角度提出了步进电机细分驱动的实现方法，其基本目的是把步进电机的每一粗步进行细分，得到较小的步距，这就要求使电机各相绕组中的电流按一定的规律阶梯上升或下降，即分段达到相电流的额定值，然后再分段降为零，归纳起来，其实现的方法可以分为几类。241放大型细分驱动技术其基本思路是把等幅等宽的电压或电流方波合成而得到阶梯波，从而控制绕组中的电流阶梯上升或下降，这又分为两种方法1、先放大再叠加，即先对等幅等宽的方波信号进行功率放大，再在电机绕组上进行叠加而得到阶梯形电流。2、先叠加再放大，即先将等幅等宽的方波信号进行叠加得到阶梯形电流，而后经功率放大再施加到电机绕组上。242脉宽调制（PWM）细分驱动细分驱动技术中，阶梯波电流的产生很自然会想到应用脉宽调制（PWM）技术去代替放大状态的功放电路，即用PWM脉冲的脉宽变化控制各相绕组中的细分驱动电流，由于微机及集成电路技术的发展，这种驱动方式逐渐显示出了其生命力,但是目前在实现问题上尚有许多问题需要解决，如线路复杂，成本偏高等。243微机控制的步进电机细分驱动技术由于在实现步进电机细分控制的过程中，脉冲产生电路及脉冲分配电路等在采用分立元件实现起来较为复杂，随着微型计算机的发展，由于微机具有很强的数字信号处理能力，这些原来很复杂的部分在用微机实现时就变得很自然而且很简单，特别是INTEL公司的51，98系列的单片机，由于其指令丰富，功能强大，接口容易等优点，已逐渐被广泛应用于步进电机的细分驱动控制中。利用微机实现细分的优点是；利用微机可以很容易地实现步进电机的可变细分控制、正反转控制及加减速控制，而且电路简单，性能稳定可靠。其缺点是；由于单片微机运行速度的限制，其频率不可能做的太高。但是它仍然是目前步进电机细分技术的一种主要发展方向25步进电机的环形分配器步进电机是靠电脉冲信号工作的，电脉冲信号按规定的方式分配给步进电机的各相励磁绕组，使各相励磁绕组轮流接受脉冲信号的控制，这种功能通常是由环形分配器来完成的。步进电机的环形分配器是连接控制电路和功率放大电路的中间环节，这三者共同组成了步进电机的驱动电路。环形分配器的设计方法比较多，有单独利用分立元件构成的环形分配器、有利用门电路构成的环形分配器、有软件编程的方法构成的环形分配器，也有利用EPROM中储存控制字的方法构成的环形分配器，在所有这些环形分配器的设计方案中，分立元件构成的环形分配器由于其可靠性不高目前较少采用，而EPROM方法构成的环形分配器由于需占用单片机的机时，实时性不好，目前普遍采用的是利用门电路构成的环形分配器，但其结构较复杂，设计也不灵活。在以后的设计中，我们充分考虑了可编程逻辑阵列GAL灵活的特点，采用GAL进行步进电机环形分配器的设计，即满足了其实时性的要求，义具有灵活的特点。3步进电机驱动技术的理论技术31步进电机的数学模型为了理论上对步进电机进行分析研究，特别是利用微机对步进电机伺服系统进行仿真，就必须首先建立步进电机的数学模型。近几年，各种形式的步进电机数学模型相继建立，其中以微分方程形式的数学模型最为常用。反应式步进电机有两种类型单段式和多段式。单段反应式步进电机各相绕组在同一定子段上，故相与相间有磁藕合；多段反应式步进电机各相绕组绕在分开的定子段铁心上，各相磁路彼此独立，相与相之间没有磁祸合。下面以多段反应式步进电机为例分析步进电机的数学模型的建立。由于步进电机的磁路饱和、涡流和磁滞效应等非线性因素的影响，步进电机的精确的数学模型很难建立，考虑了所有因素，即使可以建立其精确模型，但在应用时也相当繁琐，所以在建立步进电机的数学模型时，就必须采用一处折衷方案。在下面的分析中作如下假设1、忽略铁心磁滞、涡流的影响2、各相均匀分布，气隙均匀3、相绕组电压的通断是瞬间完成的，即控制电压为阶跃式，为恒定电压驱动电源4、负载是有一定惯量的干摩擦型多段反应式步进电机为非共磁路，相与相之间没有互感，其特点为1）、各相磁路相互独立，相与相之间互感为零2）、绕组电感不是电流的函数，而只是转子位置日的函数，是的余弦函数，即310121COSKKLZRM式中LK第K相绕组电感ZR电机转子齿数M步进电机相数步进电机转子位置L0,L1分别为电机电感的静态分量和基频分量所以,其电压方程为32KKKKDILVRILT电磁转矩为332121SINNRTKRNKMZM利用上面的公式，经过化简之后，就可以得出三相反应式步进电机的微分方程形式的数学模型如下112112112SINCO2I3CS2IN3COSAARAARBBRRBBRCCRRCCRVRLZIILNLIILZVRLIILAAAAAA221012112SINSIN32I3RRRBRRCRLZLZJLMBAAAA34其中IA,IB,IC为A,B,C三相电流值AVA,VB,VC为A,B,C三相施加电压值V为电机转角RADM1为负载转矩NMJ为电机及负载惯量KGM232步进电机的矩角特性步进电机静转矩和失调角的关系称为矩角特性，矩角特性是步进电机最本质的特性，它是指相电流不变的情况下，步进电机的静转矩与转子位置的函数，步进电机的矩角特性曲线比较复杂，在近似的分析中一般把其视为正弦曲线。321步进电机的通电方式与其合成转矩的关系三相反应式步进电机的通电方式有三种1相通电、12相通电及2相通电，采用不同的通电方式，步进电机就会表现出不同的性能指标。三相步进电机在一相励磁的通电方式下，其连续运行的矩角特性可表示如图31所示TABCABC2/3图31相励磁的矩角特性由图31中可以看出，两次绕组通电之间分别相隔一个步距角的距离，而进电机在12相励磁的情况下，一相励磁时，其矩角特性不变，而在两相励时，转子同时受到两通电相转矩的影响，则此时的矩角特性为两通电相矩角性的矢量叠加，如图32所示TAABBBCCCAAE/3AABBCBCCAA图32相励磁矩角特性设步进电机的矩角特性为正弦形则步进电机各相通电时的矩角特性表达式123SINI2KEEKET35SIN1MKEETM式中TK单相通电时最大静转矩E以电角表示的单相励磁时步距角，2EM设某一时刻步进电机的通电相数为MC,此时的合成矩角特性为各矩角特性的矢量和表示为12CCMMTTSINISIN1KEEEEM36SI2CCKMEEK式中SINSIN/2CCCMEMK为相同时通电时，合成的最大静态转矩与单相通电最大静转矩的比CM例系数。由式36可以看出，对于偶数相步进电机，如六相步进电机按六相十二拍运行时，其是变化的，两相励磁时，其1732磁时，其2即CMKCMKCMK在通电状态切换时，其最大静转矩是变化的，这样运行可能会由于转矩的变化而产生振动而对于奇数相步进电机，如三相步进电机按三相六拍方式运行时，通过计算可以看出，其值是不变的，1，也就是说，奇数相步进电机CMCM在半步方式运行时，其合成最大静转矩是不变的，所以，某些文章中单凭前面的公式，即得出半步驱动方式比整步驱动方式振动大的结论是不全面的，相反，对于奇数相步进电机，采用半步驱动方式之后，由于其步距角缩小一倍，提高了步进电机的分辨率，使系统的性能有了很大的提高，所以在以后的设计中，我们均采用半步驱动方式，就是基于这个原因。322通电方式与步矩角的关系由前面的步进电机单相励磁时步进电机的矩角特性族可以看出，两条相邻的矩角特性曲线之间相距一个步距角，即其平衡位置相稳定应后移一个步距角，而对于12相励磁时，由于两相同时励磁时其矩角特性为两通电相矩角特性的叠加，由图12中可以看出，两相邻的稳定平衡位置之间的距离变为原来的1/2,即步距角变小了同样我们可以想象得出，如果在A相或B相中的绕组电流是逐渐变化的，则对应的矩角特性上最大静转矩也应是逐渐变化的，经合成后，其合成矩角特性曲线上稳定平点的位置也就会随着相电流的变化而发生位置的变化。这就是细分驱动的基本思路。33步进电机的细分驱动技术步进电机是一种由输入脉冲控制输出转角的机电元件，对应于一个输入脉冲，转子转过一个固定的角度即步距角，这个特点特别适合于开环系统，但是随着数控技术及机械工业的发展，产品对精度的要求越来越高，而采用常规的设计方法，如，增加定、转子齿数以获得小的步距角等，由于它们受到电机结构等的限制，而越来越不能满足需要，这就要求采用特殊的驱动电路设计方法来提高步进电机的运行能，目前较常用的和比较成熟的方法是细分控制，又称微步控制。细生一系列的假想的磁极对（即新的稳定平衡点），使转子刘应的每步运动只为原来的一部分，而达到细分的目的。采用细分驱动技术有许多优点1、采用细分驱动技术后，在不改变步进电机整体结构的前提下，可以大幅度提高步进电机的步距分辨率。2、由于电机绕组中的电流变化幅度变小了，所以引起低频振荡的过冲能量降低了，即改善了低频性能，减小了开环运动的噪声，提高了运行稳定度。3）、在数控系统中，加工误差难以提高的原因很大一部分是由于减速箱的存在，采用细分技术后，可以采用步进电机直接同丝杠相连的形式，这样可以在很大程度上消除了由减速机构产生的回程误差及爬行等。4）、采用微步驱动时，可以改善步进电机运行的矩频特性，对应的控制频率也可相应提高。331细分控制原理考虑一般情况，设步进电机共有M相，若只有相同时通电，且每相的额定电流相同，则各相矩角特性基本上按正弦分布，且幅值相同，所以步进电机总的矩角特性可表示为112SINSINSIN11I2SIN2MMMMMAA37式中一相矩角特性的幅MM第一相定转子齿轴线间的夹角相矩角，第一相定转子对齐时，第二相定转子齿轴线间的A夹角电度角，在转子齿数为ZR，自然分相时2/ZRM机械角2/M电A度角从以上分析可以看出1、M相电机在N相同时通电时，合成矩角特性幅值较第一相力矩增加了倍。SI/2A2、空载平衡点即0处转过了。1M1/2NA步进电机各相绕组依次通电时，通常有两种方式，即只有一相电流变化或两相电流同时变化，称之为KKLK和KK通电方式，下面从矩角特性的角度分析这两种通电方式的细分原理332只有一相电流变化在这种方式下，每一拍只有一相通电或只有一相断电，通电拍和断电拍不同时存在，在第一拍时通电相数为，矩角特性如式17，第二拍时，通电相数为（1），矩角特性为211NMM38SI2SI2MA由式（38）可以看出，矩角特性除幅值变化外，其平衡位置也移动了。A2，即步矩角为A2在第三拍时，通电相数为相，则有321NMM39SII2MAA由上式（39）可以看出，它又较第二拍移动了/2。在细分控制时，在第一拍相通电向第二拍（1）相通电切换时，第（1）相绕组电流不是一次即达到其额定值，而是分多次即以阶梯状达到电流额定值，每次只增加其额定电流的一部分，则第（1）相的矩角特性为M而非MM，则总矩角特性为121NNMM310SIMA用向量图表示如图33所示2MNAA/21N1A/2MM1M图33一相电流变化矩角特性向量图由图中可以看出，细分时，从1到的角度随MN1从增加0到，2M也由转向，每次转过的角度由的大小及其方向来决定，利2M121N用正弦定理，可以很容易地求出转过角所需的的幅值大小。M311SINSI21MAMA由此式可以分别求出、步距角等距细分；、电流变化相的力矩均匀变化、合成力矩不变等三种情况下的与0关系，再由电机的转矩特性求MM出细分时各细分位置的对应电流值，用以控制电机达到各种细分的目的。这种方式的特点是（1）由于这种通电方式的步距角较通电方式时要小一倍，故要达到相同的细分步距，只用较少的细分数即可，控制线路简单，在细分控制中应用较多。（2）在这种通电方式下，较难做到步距角的均匀细分与合成力矩不变同时存在，所以，运行的平稳性较之两相电流同时变化时要差。333两相电流同时变化在这种通电方式下，每拍在有一相电流通电的同时，也有一相电流断电，即这种通电方式能保持通电相数不变，此即所谓的通电方式。设第一拍通电相数为，则合成转矩特性如式（37），在第二拍时，第（N1）相导通，而第一相则断电，其合成转矩特性可表示为221NMM312SI2IN2MAAA把上式与式37对比可以看出，第二拍的平衡位置较第一拍向前移动了A角，即步距角为A，也就是说，这种通电方式下其步距角较上种通电方式时要大一倍，但由式312可以看出，除位置变化外，其幅值即力矩值并没有变化，即力矩保持不变。如果在两相电流变化时，不是两相电流直接通断，而是阶梯状在。到电流额定值之间变化，则就可达到细分的目的。为方便将式37表示为12NMMSI1/2SINSI/2MMANA313II/AN则第二拍的矩角特性为2121NMM314SINI/2SINAAA由向量图34可以看出，由于在第二拍时，有两个变化的量和故1MM适当调整和的大小其相位是不变的，即可达到在一定细分数下的1NM步距角的均匀细分及合成力矩不变，利用正弦及余弦定理，可以求出相应的和的变化规律，与转矩特性相对比，即可得到相应的电流变化值，1NM用以作为控制电机细分的依据。2M2A1A/2NA1NM1M图34两相电流变化矩角特性向量图这种通电方式的特点是（1、在这种特点方式下，步距角比一相电流变化时要大一倍，故要达到相同的细分步距，相应的细分数也要大一倍，从而控制电路也要复杂。（2、由于在这种通电方式下细分时，有两个变化量，故可以实现步距角均匀细分及合成力矩不变同时存在，所以容易达到运行平稳，步距精度较高。34细分驱动的实现要实现细分驱动，就是要使电机各相绕组中的电流按一定的规律阶梯上升或下降，针对这种电流波形的实现方法，国内外都有研究，从脉冲分配电路上看，有采用硬件细分及软件细分的区别，硬件细分可由EPROM或GAL来实现，构成所谓的EP或GP细分驱动从功率放大器上看，即从功率管的工作状态来分，有放大型的也要采用开关式的软件细分也有多种从阶梯电流形成的角度分，有采用叠加法的，有采用PWM控制的，也有采用脉频调制PFM的，随着微机技术的发展，目前大多采用与微机相结合的方法，而叠加法目前则较少采用，下面仅从绕组中阶梯型电流形成的角度来分析（1、叠加法以往的步进电机的细分驱动较多采用这种方法，其基本思路是把等幅等宽的方波合成而得到阶梯波。在电流的实现上，一般采用数字逻辑元件来构成细分脉冲分配电路，驱动回路每相设有N个支路即设为N细分，阶梯波电流的形成由这N个支路的等幅等宽的方波电流叠加得到，各支路的开闭则由细分控制器的脉冲来控制，在具体实现上有两种结构、先放大后叠加即先将每个支路的输出放大后，再在电机的绕组中叠加而得到要求的阶梯波。常州电讯电机厂生产的BQX1004型细分驱动电源就是采用这种方法，这种方法的缺点是功放元件的数量随细分数的增加而剧增，结构复杂，可靠性及通用性低。、先叠加后放大即将对应某相绕组的N个支路的输出先进行叠加，得到阶梯波形电流信号，再经功放以驱动步进电机。这种实现方法虽能减少功放元件的数量，功耗也较少，但对功率较大的步进电机驱动较难实现，平衡调整也较困难。采用叠加法得到阶梯相电流的方法，总的来说由于其元件多，结构复杂，可靠性、通用性低且难以实现可变细分，在目前研制的细分驱动器中较少采用。（2、PWM细分驱动由于微步驱动是要得到阶梯变化的电流波形，这就不难想到利用PWM技术脉宽调制来代替放大状态的功放电路，以实现灵活的电流波形控制，为提高系统的稳定性和可靠性，一般采用数字脉宽调制电路。脉宽调制细分驱动的基本思路是细分驱动电流的变化受控于PWM脉冲的脉宽变化，只要给驱动功率管的基极上施加一定脉宽和频率的脉冲序列，就可在相应电机绕组上得到相应的阶梯变化的电流波形。采用PWM技术对步进电机进行细分驱动，线路简单具有控制，系统稳定可靠等优点，目前随着微机的发展，借助于微处理机较强的数字信号处理功能，结合PWM控制技术，己是步进电机细分驱动的主要发展方向之一。（3、微机控制的步进电机细分驱动随着微机技术的迅猛发展及其应用的推广普及，步进电机的特有的数字化的运行方式自然会与微机相结合，由于微机具有很强的数字信号处理能力，利用微机，可以很方便的实现步进电机的步进脉冲控制、加减速控制、正反转控制及可变细分控制等，当前在步进电机驱动控制中应用较多的为51及98系列的单片微机。目前利用微机来实现步进电机细分控制的研究较多，但其基本思路已逐步趋于稳定，大多数为预先将细分驱动的各阶梯电流值的阶梯编码存于EPROM中，运行时，利用软件从EPROM中取电流控制字，经D/A转换、电流电压放大及功率放大以驱动步进电机运行，其原理框图如图35所示图35微机控制细分驱动原理框图在利用微机控制的实现问题上，它一般要和以上的各种驱动方法相结合，以简化硬件电路，实现各种复杂的控制。由于它和不同的驱动技术相结合，又分为许多种方法。早期的微机控制细分，仍然采用电流叠加法，在采用叠加法时，用Z80单板微机控制细分驱动的实现，它采用从CPU中直接输出相电流控制字，经D/A转换及功放驱动电机绕组，使细分的灵活性得到提高，可以实现可变细分，但其仅利用微机输出脉冲控制量，其灵活性仍较低，远未充分利用微机的高性能。微机控制与斩波驱动技术、调频调压技术及PWM驱动技术相结合在步进电机细分驱动中的应用。但是，由于单片微机的运算速度的限制，其所控制的电机运行频率不可能太高，在要求运行速度较高的场合，一般采用硬件细分，而用微机来实现步进电机的加减速控制、正反转控制等。在微机驱动步进电机电路中，由于微机工作电压与电机工作电压差别较大，为防止高压串入控制回路，应采取有效的抑制干扰措施，一般采用光电隔离的办法。35步进电机的升降频技术微机D/A功率放大步进电机恒流控制由于步进电机的独特的矩频特性，即低频运行时其输出转矩较大，而在高频运行时其输出转矩则较小，如果步进电机的工作频率比较高，在启动时，电机不能把负载惯量加速到相应的步进频率，步进电机就会出现失步或完全不能工作的情况。从静止开始，步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为启动频率与此相对应，也有停止频率的概念，而步进电机的工作频率比启停频率要高的多，若要步进电机高速工作，就必须采用一定的升降频方法。步进电机的升降频方法比较多，有利用硬件组成的自动升降频控制，也有利用微处理机结合软件组成的升降频控制，另外，还有为了达到较好的快速性而出现的最优升降频控制,有硬件组成的升降频控制，其实时性较好，但实现起来比较复杂，升降频规律单一，一旦电路设计好之后，升降频规律就很难再改变，且只能实现一些较简单的升降频控制。随着微机的出现，利用微机结合软件的方法来实现步进电机的升降频控制逐步得到了人们的认可，它结构简单，控制灵活，而且能够实现比较复杂的控制，也可以结合最优控制理论对步进电机实现最优控制。利用微机对步进电机实行升降频控制主要有两种方法1、程序计时法设步进电机升降频的频率一时间表达式为FFT先将该函数利用相等的时间间隔进行离散化，如图36所示FHZF4F3F1F0TTS图36FT对时间离散设时间间隔为T，则可得到一系列的时刻值T0,TL,T2TN，其中TNMT,根据FFT，即可求出相应时刻值上的频率值，FT0,FTL,FTN将这些离散的频率值转化为相应的定时器时间常数，装入常数表中，使用时取出使用即可。如,假定系统的最低频率F1为100脉冲/S,最高运行频率FN为10000脉冲/S,相邻两档速度差为100脉冲/S,用速度K表示速度档次,则各档频率包括最高频率为FKK1000脉冲/S对于直线升速,阶梯数时间T为常数,对于指数升速,T为变量。T越短,升速越快。T的大小可以通过计算来确定。若折算于电动机转轴上的总转动惯量为J，升速过程中的平均电磁转矩为TM。加速时间为。则下近似成立316180MELFTJTT式中步距角E起动频率；1F连续运行频率；M转子受到的总阻力矩LT实际工作中往往不子解J、等电机系统的参数。所以常用实验方法MTL来确定，即以升速最快而不失步为选择原则。MT确定后，可以确阶梯时间T/317MTK式中阶梯升速档数，MK1MFK阶梯升速过程中，各档频率（不包括最高运行频率）为MF3181KF式中1，2，KMK各档频率内的运行步数为KF3191KNFTFKN式中1FT升速过程内的总步数为3201MKMKKNN程序执行过程中，对每一档速度，都要计算在这个台阶应走的步数，然后以递减方式检查。当减致零时，表示该档速度应走的步数已走完，于是速度字加一，进入下一档速度。与此同时，还要递减升速过程中总步数，直到升速过程总步数走完为止。本程序的资源分配如下R0中间寄存器；R1存储速度级数；R2存储通级步数；R3加减速状态指针，加速时指向35H，恒速时指向37H，减速时指向3AH；32H34H存放绝对位置参数（假定用3个字节），低位在前；35H、36H存放加速总步数（假定用2个字节），低位在前；37H39H存放恒速总步数（假定用3个字节），低位在前；3AH、3BH存放减速总步数（假定用2个字节），低位在前；定时常数序列放在以ABC为起始地址的ROM中。初始R335H，R1，R2都有初始值。加速程序框图如图37NNYNYYNNYNNYYYNYYYNYNYNYY图37加速程序框图这种控制方法的特点是程序设计比较简单，但是它有一个很大的缺点，就是没有考虑步进电机的动态特性，使控制时往往由于两阶梯间的突跳频率太大而导致丢步或失步的问题，而且这种控制方法的快速性也不好。减速步数减1级步数减肥减速一级计算级步数停机级步数0减速步数0恒数步数减1减速一级计算级步数指针指向减速恒数步数0恒速加速步数减1级数数减1加速一级计算级步数指针指向恒数加速级步数0加速步数0改变P10状态绝对位置加1绝对位置减1停机报警重装定时常数退出P101正转越界2）、脉冲计数法程序计时法是利用等时间间隔对频率时间函数进行离散化，而脉冲计数法则是利用等脉冲数，即等步数来对升降频函数曲线进行离散化，若函数用FFS来表示，则离散过程如图38A所示ABFHZFHZS步数ST时间T图38FFT对脉冲数离散我们知道，频率FT对时间T进行积分可以得出脉冲数，所以如图38所示，用FT表示时，就是对FT进行等面积离散化，与FS是同等的。这样将离散化后的各离散点的频率值转化成对应的计数器时间常数，装入常数表中即可使用。这种控制方法的特点就是如图38所示，最初加速段时间间隔较长，这样就不会因速度低而出现响应不及时而丢步或失步的情况，而在高频段其时间间隔较小，符合了此时速度高的特点，所以这种控制方法适合步进电机动态性能的要求，快速性也较好。36步进电机动态性能仿真步进电动机在自控系统中可以作为驱动电动机，但更多的是作为伺服电动机，在设计步进伺服系统时，必须要分析该伺服系统的性能是否满足要求，解决该问题一般来说有两种方法，其一为利用试验验证，但该方法设计周期长，而且也不经济；另一种方法是利用仿真的方法，该方法设计周期短而且比较经济，目前普遍采用该方法进行系统设计。前面己经导出了三相反应式步进电动机的数学模型，利用该模型就可以对步进电动机的动态性能进行仿真研究。对步进电机来说，稳态时的电流变化直接影响电机的稳态性能，较好的电机绕组电流波形相应就会提高步进电机的运行性能；另外步进电动机的启停频率在实验中较难测定，我们也可以利用仿真的方法确定其大小。4步进电机斩波驱动电源设计41恒流斩波驱动原理针对单电压步进电机驱动电源的电源效率低和高低压驱动电源的电机绕组电流波形差的特点，为改善电机绕组电流波形和提高驱动电源的效率而开发了一新型的步进电机驱动电源，它采用局部电流反馈的思路，通过对步进电机绕组内的电流进行适当的检测，并通过适当处理，使其转变为数字信号，用以反馈到控制部分，以实现对电流波形的控制。其基本框图如图41图41恒流斩波驱动原理框图42斩波驱动器的功率驱动部分设计恒流斩波的步进电机驱动电源功率驱动部分原理图如图42所示控制环节功放环节绕组电流反馈检测图42功率驱动部分一相电路原理图421电压隔离接口由于步进电机工作时，电机绕组内的电流值一般都能达到数安培，而控制电机绕组内电流变化的控制信号一般都是由逻辑电路产生的数字信号，电压一般比较低，为了防止单片机或控制信号等受到后级模拟电路的干扰，通常在驱动电源的设计时都要设计前后级的电压隔离接口，以便把数字信号和模拟信号隔离开。电压隔离接口是把控制部分的低电压信号和驱动电机动作的电源功放部分的高电压隔离开，也即将数字电路和模拟电路分隔开，以防止单片机或控制信号受到干扰，在以前的步进电机驱动器电路设计时，通常是采用脉冲变压器作为电压隔离接口部件，但是它在耐压值、可靠性及体积方面都无法与光电藕合器相比。所以在电路设计中，我们采用了光电祸合器作为隔离接口部件，在电路中我们采用的是高速光电藕合器6N137其隔离电压可达25KV，响应时间为50NS。在电路中，光电藕合器D1和D2以隔离单片机的控制信号，而D3则用来隔离步进电机驱动器的电流反馈信号，从原理图中可以看出，经过D1，D2，D3三个光电藕合器之后，系统中的数字信号和模拟信号就被完全隔离开来，系统的抗干扰能力得到了很大提高，从而提高了系统的可靠性和安全性。422电路的恒流斩波驱动原理如原理图22所示，由单片机输入低电平控制信号，经反相器N1后输出为高电平，N2，N3同时输出我低电平，则光电藕合器D1，D2的光敏三极管导通，使A点和B点同时输出为低电平，N4及N5为达林顿反相驱动阵列，其输出变为高电平，使三极管T1，T2，T3同时导通，从而推动大功率管T4，T5导通，使电压V加到电机绕组L，由于在电机绕组中主回路阻抗较小，绕组电流迅速上升，在很短的时间内即可达到规定的电流值，当采样电阻RF上的电压降到某一规定数值时，光电藕合器D3的发光二极管导通，从而使其光敏三极管导通，其输出也由高电平跃变为低电平，加到与非门N2上，使其输出变为高电平，D1截止，N4输出低电平，使T1，T3截止，T4截止，绕组回路停止供电，则电机绕组回路中的电流通过续流回路进行泄放，绕组电流值下降，当电流下降到某一下限时，采样电阻RF检测到的电压降下降到不足以使D3的发光二极管导通，其输出变为高电平，又使N2输出低电平，并最终使T4重新导通，绕组电流重又上升，从而使电机绕组中的电流维持在某一规定的范围之内，在额定值附近作上下波动，实现绕组电流恒流斩波的目的。423续流回路为了改善电流波形的后沿即下降沿，我们在电路设计中设计有两个续流泄放回路，见原理图42所示，其中一个是由L，D4和V构成的泄放回路，另一个为由D5，L,T5构成的泄放回路。于步进电机的绕组属于电感性负载，其内部电流不能实现突变，如果不加入适当的电流泄放回路，将会使绕组中的电流在较长的时间内存在，使绕组流波形变差，从而使驱动电源的性能变差。在电路中通过加入两条电流泄放回路，使在该相绕组控制信号关断时，能够使绕组中的电流通过两条泄放回路加快泄放，极大的改善了绕组电流波形。特别是第一条泄放回路，在控制信号关断时，即T4截止时，相当于在绕组上施加了一个V的电压，加快了绕组电流的泄放速度同时由于在电流泄放时使绕组电流向电源泄放，也提高了电源的效率。424保护电路从电路原理图可以看出，在该相的一个导通周期内，高压管是通过RF的检测及反馈作用而处于开关状态，而低压管在该导通周期内则一直导通，为了提高系统的可靠性及保护功放管，在电路中我们加入了保护措施（1）、我们在低压管的CE两极之间并联了一个压敏电阻，压敏电阻的特性曲线如图43所示UI图43压敏电阻的伏安特性从图中可以看出，压敏电阻和普通的电阻不同，当其两端压降在最初的一个范围内变化时，其阻值很大，内部几乎没有电流流过，近似于绝缘体，而当压降超过某一极限值时，其阻值则表现为迅速下降，近似于导通状态，我们就是利用压敏电阻的这一特性，使其在电路中起到对低压管的保护作用。（2）、由于电机绕组中的额定电流为6A，而绕组L回路的阻抗较小，其稳态电流相当大，为提高系统的可靠性，我们在电路设计时加入了对电流的检侧及保护措施，如图44所示图44对电流的检测及保护措施R当IC的剧烈增加，基极电压和集电极电压均发生相应的变化，在基极电流和结一定和结一定时，VBE随IC正比变化，利用这一特性，可以对功放管进行过载和短路电流保护，监基极电压VBE与预定的基准值相比较，以发出相应的命令切除功放管驱动信号，监测VCE可以达到同样的保护目的，但VCE变化比VBE缓慢，且VCD受温度的影响严重，所以这里的是监测VBE的办法，这样确认故障的时间较短，能在几微秒内起到保护作用。425主要参数的确定在以上所示的电路原理图中，有几个主要的电路参数，对电路的性能起到重要的作用，如采样电阻的阻值、三个光电藕合器的输入电阻等。1）、光电藕合器的输入电阻的确定如图45所示图45光电藕合器的输入电阻的确定由于光电藕合器处于高频开关状态，为使后级功放管能快速开关，光电藕合器应选用导通及关断延迟时间较小的高速型光藕。我们根据本电路的特点选用了高速型光电藕合器6N137，由6N137的使用说明书可以知道，当其IF5A时，其电流传输比最大。由于光电藕合器的输入导通时其发光二极管的导通典型压降为155V设门电路的低电平输出电压为03V，根据欧姆定律应有图46采样电阻RF上的压降为UF,中可知，光藕6N137在IF5MA,R5为光祸D3的输入电阻，从上面的叙述,其电流传输比为最大，所以应有下式UF155VIFR541取R5100UF55V5MAX01K205V42而UFILRF故RF205/IL205/6034。可以取为RF033在电路中，如果要改变电机绕组中的恒流值，只需改变RF的大小即可。由于RF的大小直接影响到绕组电流的高低，同时，虽然RF的阻值较小，但由于流过其内的电流比较大，所以在RF的选择上应选用功率比较大精密电阻。426性能分析电源电压为110V直流电，设开关管的饱和压降为03V，则绕组的主回路参数如下RF033R1037L00355H则主回路中的稳态电流为43103109437HLLIR5628A主回路的通电时间常数为44103507FLSR则主回路的电流表达式为455628LIA43斩波驱动器的环形分配器设计步进电机是靠电脉冲信号工作的，电脉冲信号按规定的方式分配给步进电机的各相励磁绕组，使各相励磁绕组轮流接受脉冲信号的控制，以实现步进电机的步进运动。通常这个控制电脉冲信号是由环形分配器来提供的，由于脉冲分配方式是周而复始的不断重复，所以实现这种功能的电路被称为环形分配器，它是控制器和功率放大器的中间环节。环形分配器的设计是步进电机驱动器设计中的一个重要组成部分，其设计方法较多，从由各种门电路组成的环形分配器，到单片环形分配器，不一而足。目前许多地方使用的环形分配器仍然是由各种门电路组成的环形分配器。这种由门电路组成的环形分配器有许多缺点，例如，要利用各种门电路来实现脉冲分配功能，电路比较复杂，所用元件较多，体积较大，可靠性难以提高。而利用微机的软件来实现环形分配器的功能，虽然设计比较灵活，但其实时性不高，难以实现高速运行，例如采用8031构成的步进电机控制系统，时钟频率为6MH即使采用中断延时法，步进电机的最高运行频率也仅能达到十千赫兹左右，而采用程序延时法则更低。随着大规模集成电路的发展，80年代后期LSTIE公