步进电机的驱动技术

1、步进电机的驱动技术徐孝同(安徽雷鸣科化股分有限公司 , 安徽 淮北 235000摘 要 :阐述了步进电机的驱动原理 , 介绍了恒流斩波 、 脉宽调制及细分驱动等步进电机驱动电路的结构设计方法 和设计中的相关技术 , 并给出了实现方案 。关键词 :步进电机 ; 恒流斩波 ; 脉宽调制 ; 细分驱动 ; 单片机 中图分类号 :TM32 文献标识码 :A 文章编号 :1008-8725(2004 08-0015-020 引言作为一种把数字电脉冲信号转换成机械角位移的机电 元件 , 步进电机具有控制简单 、 价格低 、 维护容易 、 定位精度 高 、 无累积位置误差 、 可自锁 、 控制成本低等特点而

2、得到广泛 应用 。 但步进电机的性能依赖于驱动电路的控制方式 。因 此 , 研制性能优良的步进电机驱动器及智能化控制系统非常 必要 , 而其目前在许多控制范围内仍是一个棘手的问题 。因 此 , 本文就是想通过对步进电机控制方法的分析和研究 , 寻 求制作和设计步进电机控制器的方法 , 以便做出满足工业和 科研需要的步进电机控制器 。1 脉宽调制驱动原理脉宽调制方式是一种供电电压比电机额定供电电压高 得多的情况下而采用斩波方式使电动机绕组电流从低速到 高速运行范围内保持恒定的一种驱动方式 , 其工作原理如图 1所示 。 工作中 , 由单片机或环形分配器送来的步进电机脉 冲控制信号与 V P W

3、M 端输入的 PW M 脉冲宽度调制信号相与 , 则在与门 Y 的输出端产生受控于 V I N 的间歇脉冲序列 Vb , 这 个脉冲序列使功放管 T 处于高频开关状态 , 从而在步进电机 的绕组上产生如图 2所示的电流 I L 。通过改变该脉冲序列 的占空比或电源电压则可改变绕组中稳态电流的大小 。 当 T 关断时 , 绕组电流经 Rd ,D 构成泄放回路续流 12。图 1 脉宽调制驱动原理图图 2 绕组电流图高频脉冲序列脉宽的减小可以粗略地认为等效于电源 电压的减小 , 但是它对应的电流波形并不如纯粹的低压功放 电路那样上升缓慢 , 因它具有较好的高频特性 , 从而不会在电流上升的时间内产生

4、过量的能量 , 使电机运行平稳得多 , 有效地抑制了低频共振现象 , 因此该电路又称为斩波平滑功 放电路 。该电路的另一个特点是效率的提高尤其明显 , 在输出功 率相同的情况下 , 斩波平滑功放只需普通单电压功放电路大 约一半的输入功率 。2 细分驱动方式211 细分原理分析步进电机驱动线路 , 如果按照环形分配器决定的分配方 式 , 控制电动机各相绕组的导通或截止 , 从而使电动机产生 步进所需的旋转磁势拖动转子步进旋转 , 则步距角只有二 种 , 即整步工作或半步工作 , 步距角已由电机结构所确定 。 如果要求步进电机有更小的步距角 , 更高的分辨率 , 或者为 了电机振动 、 噪声等原因

5、 , 可以在每次输入脉冲切换时 , 只改 变相应绕组中额定的一部分 , 则电机的合成磁势也只旋转步 距角的一部分 , 转子的每步运行也只有步距角的一部分 。这 里 , 绕组电流不是一个方波 , 而是阶梯波 , 额定电流是台阶式 的投入或切除 , 电流分成多少个台阶 , 则转子就以同样的次 数转过一个步距角 , 这种将一个步距角细分成若干步的驱动 方法 , 称为细分驱动 。 在国外 , 对于步进系统 , 主要采用二相 混合式步进电机及相应的细分驱动器 。但在国内 , 广大用户 对 “ 细分” 还不是特别了解 , 有的只是认为 , 细分是为了提高 精度 , 其实不然 , 细分主要是改善电机的运行性

6、能 。由于细 分驱动器要精确控制电机的相电流 , 所以对驱动器要有相当 高的技术要求和工艺要求 , 成本亦会较高 3。图 3给出了三相步进电机八细分时的各相电流状态 。 由于各相电流是以 14的步距上升或下降的 , 原来一步所转 过的角度 将由八步完成 , 实现了步距角的八细分 。由此可 见 , 步进电机细分驱动的关键在于细分步进电机各相励磁绕 组中的电流 。图 3 电流状态图212 步进电机细分驱动电路为了对步进电机的相电流进行控制 , 从而达到细分步进 电机步距角的目的 , 人们曾设计了很多种步进电机的细分驱 动电路 。 随着微型计算机的发展 , 特别是单片计算机的出 现 , 为步进电机的

7、细分驱动带来了便利 。目前 , 步进电机细 分驱动电路大多数都采用单片微机控制 , 它们的构成框图如 图 4所示 。 单片机根据要求的步距角计算出各相绕组中通 过的电流值 , 并输出到数模转换器 (D A 中 , 由 D A 把数字量 转换为相应的模拟电压 , 经过环形分配器加到各相的功放电 路上 , 控制功放电路给各相绕组通以相应的电流 , 来实现步 进电机的细分 。 单片机控制的步进电机细分驱动电路根据 末级功放管的工作状态可分为放大型和开关型两种 (见下图 5 46。收稿日期 :2004-04-08; 修订日期 :2004-06-03作者简介 :徐孝同 (1973- , 男 , 安徽淮北

8、人 , 助理工程师 , 一直从事机电技术管理工作 。第 23卷第 8期 2004年 8月 煤 炭 技 术 C oal T echnology V ol 123,N o 18Aug ,2004QJ Z 2-3001140S 型起动器控制回路的线路改进 桑淑丽(安徽省宿州市桃园煤矿 , 安徽 宿州 234116摘 要 :通过对 Q J Z 2 3001140S 本安型双保护真空磁力起动器控制回路进行改进 , 使它作为采煤工作面总控制开 关 , 从而保证煤矿电气设备安全可靠的运行 。关键词 :启动器 ; 控制回路 ; 改进中图分类号 :TM57 文献标识码 :A 文章编号 :1008-8725(20

9、04 08-0016-020 前言煤矿 采 煤 工 作 面 刮 板 输 送 机 总 控 制 开 关 往 往 采 用 DW80 350馈电开关 。 DW80 350馈电开关以其重量轻 、 调 节简单 、 瓦斯断电控制回路控制停送电方便而倍受广大采区 电工喜爱 , 很多采掘工作面均采用此馈电开关作为总控制开 关 。 但是按照 煤矿安全规程 第 456条规定 “井下配电网络 均应装设过流 、 短路保护装置 ” ,DW80 350馈电开关不 能满足 煤矿安全规程 需要 , 在保证电气设备更安全的要求 下 , 徐州煤矿机械厂生产的 Q J Z2 3001140S 本安型双保护 真空磁力起动器适合作采煤工

10、作面刮板输送机总控制开关 。 因为该启动器采用双重化电子综合保护电路 , 具有失压 、 短 路 、 过载 、 漏电闭锁 、 断相保护以及短路能力闭锁保护 , 并且 具有过载 、 漏电 、 断相 、 过流 、 短路 、 电源 、 运行显示 。图 4 推图图 5 步进电机细分驱动电路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控制 , 电路较简单 , 电流的控制精度也较高 , 但是由于末级功放管工作在放大状态 , 使功放管上的功耗较大 , 发热严重 , 容易引起晶体管的温漂 , 影响驱动电路的性能 。 甚至还可能由于晶体管的热击穿 , 使电路不能正常工作 。因此该驱动

11、电路一般应用于驱动电流较小 、 控制精度较高 、 散热情况较好的场合 。开关型步进电机细分驱动电路中的末级功放管工作在开关状态 , 从而使得晶体管上的功耗大大降低 , 克服了放大型细分电路中晶体管发热严重的问题 。但电路较复杂 , 输出的电流有一定的波纹 。因此该驱动电路一般用于输出力矩较大的步进电机的驱动 。随着大输出力矩步进电机的发展 , 开关型细分驱动电路近年 来得到长足的发展 。 目前 , 最常用的开关型步进电机细分驱 动电路有斩波式和脉宽调制 (PW M 式两种 。斩波式细分驱 动电路的基本工作原理是对电机绕组中的电流进行检测 , 和 D A 输出的控制电压进行比较 , 若检测出的电

12、流值大于控制 电压 , 电路将使功放管截止 , 反之 , 使功放管导通 。这样 ,D A 输出不同的控制电压 , 绕组中将流过不同的电流值 。脉宽调 制式细分驱动电路是把 D A 输出的控制电压加在脉宽调制 电路的输入端 , 脉宽调制电路将输入的控制电压转换成相应 脉冲宽度的矩形波 , 通过对功放管通断时间的控制 , 改变输 出到电机绕组上的平均电流 。由于电机绕组是一个感性负 载 , 对电流有一定的波波作用 , 而且脉宽调制电路的调制频 率较高 , 一般大于 20kH z , 因此 , 虽然是断续通电 , 但电机绕 组中的电流还是较平稳的 。 和斩波式细分驱动电路相比 , 脉 宽调制式细分驱

13、动电路的控制精度高 , 工作频率稳定 , 但线 路较复杂 。 因此 , 脉宽调制式细分驱动电路多用于综合驱动 性能要求较高的场合 。3 结论该论文阐述了步进电机驱动器的设计方法和技术 , 读者 根据它可以设计出符合控制要求的高性能的步进电机驱动 器 。 步进电机驱动器广泛用于工矿企业中的数控电子设备 的精确开环控制 , 以满足工业自动化要求 。参考文献 :1 李朝清 1单片机原理及接口技术 M1北京 :北京航空航天大 学出版社 ,199212 刘宝廷 1步进电动机及其驱动控制系统 M1哈尔滨 :哈尔滨 工业大学出版社 ,199713 王季秩 1电机实用技术 M1上海 :上海科学出版社 ,199

14、81 4 李华 1MCS 51系列单片机实用接口技术 M1北京 :北京航空 航天大学出版社 ,200015 戴梅萼 1微机计算机技术及应用 M1北京 :清华大学出版社 , 198616 刘爱和 . 步进电机新型恒流驱动电流 J.微特电机 ,1992, (5 . Driving technique of stepper motorX U X iao -tong(Leiming Science &Chemical C o Ltd ,Huaibei 235000,China Abstract :Thispaper expounds the driving principle of stepper m otor ,introduces the related techniique and control principle of constant current chopping ,pulse width m odulation and subvision driving etc. stepper circuit structure design method and puts forward the plan.K ey w ords :stepperm otor ; chopping ; pulse width m odula