步进驱动器原理

1、步进电机步进电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下， 电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。当步 进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为 “步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位 移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速 度，从而达到调速的目的。由于脉冲信号数与步距角的线性关系，加上步进电机只有周期性 的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简 单。它不同于传统意义

2、上连续旋转运动的电机，而是以阶跃式渐进的方式，一步一步地动作， 由离散的不同位置的定点移动构成完整的圆周运动，实现同连续运动电机相同的运作效果， 是电机运动的另一种可行方式。现在比较常用的步进电机包括永磁式步进电机(PM)、反应式步进电机(VR)、混合式步 进电机(HB)和单相式步进电机等。永磁式步进电机永磁式步进电机，特点是内置一块永磁体用来提供磁场，电机绕组一般为两相，转矩和 体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动 都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的

3、变化产生转矩。混合式步进电机混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角 一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁 场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢 量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一 个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变 绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电 顺序来控制步进电机的转动。

4、如下图所示，联想横纵坐标轴构成的象限可知：单相通电：当每次仅一个绕组通电工作时，有A绕组正向通电，B绕组不通电时，转子N极对应纵轴正向；A绕组不通电，B绕组正向通电时，转子N极对应横轴正向；A绕组负向通电，B绕组不通电时，转子N极对应纵轴负向；A绕组不通电，B绕组负向通电时，转子N极对应横轴负向；自此，完成一个周期；两相步进电机的单相通电步进顺序双相通电：当每次有两个绕组同时工作时，有A绕组正向通电，B绕组正向通电，则转自N极对应第一象限;A绕组负向通电，B绕组正向通电，则转自N极对应第四象限;A绕组负向通电，B绕组负向通电，则转自N极对应第三象限;A绕组正向通电，B绕组负向通电，则转自N极对

5、应第二象限; 自此，完成一个周期。两相步进电机的双相通电步进顺序若以上两种通电方式结合起来，则步进电机步进角减半，一个完整周期内为八拍动作。 步进电机控制方式：恒相流控制：恒相流的控制思想是通过控制主电路中MOSFET的导通时间，即调节MOSFET触发信号的 脉冲宽度，来达到控制输出电压，进而控制定子绕组电流的波形。具体来说，对每一相定子 绕组电流进行采样，得到当前绕组电流值，经过适当处理后与参考值相比较，如果当前电流 值大，则减小对应绕组驱动电压作用时间，反之，则增加该相绕组驱动电压的作用时间。恒 相流控制电路，每相绕组电流单独控制，动态性能好，运行效率高，易于实现恒转矩，目前 在国内外控制

6、电路中广泛应用。恒总流控制恒总流控制是通过调节输出驱动电压幅值的大小或作用时间长短，来控制驱动总电流的 幅值。这种控制方式的主回路采用的是降压型开关电源形式，逆变桥可以是多相半桥，也可 以是全桥结构。利用主回路总电流检测值与给定值比较，控制驱动电路信号，使得逆变桥的 直流电压随着速度的变化而自动调整，维持总电流恒定。这类驱动器优点是，单步响应过冲 量小，能够抑制低频振荡，运行频域宽。缺点是惯性滤波环节影响了系统的动态特性。升频升压控制升频升压控制电路，是采用脉宽调制改变驱动器功率电路的直流母线电压，使电机绕组 电压在低频时较低，高频时较高，采用不同的频率-电压控制关系可以得到不同的力矩特性，

7、这种方法在步进电机的低速阻尼和高速运行的矛盾之间做出折中，采用这种方式可以使步进 电机在整个步进频域内具有较好的性能。微步驱动微步驱动也称为电流细分驱动，每次输入脉冲时，不是将绕组电流全部通入或者断流， 而是只改变相应绕组中额定电流的一部分，转子的每步运行角度也只有步距角的一部分。利 用电流控制技术可以有效地实现步进电机的微步驱动，从而提高步进电机系统的分辨率和运 行的平稳性。步进电机微步驱动技术，使得即使相数少的电机，也可以提高分辨率，在必要时可以很 高，达到接近连续运行驱动器的状态，称为“类伺服”特性。步进电机微步驱动技术的成熟， 实现了微步驱动控制芯片的商业化。目前发达国家的驱动器已经进

8、入恒相电流与细分技术相 结合的技术阶段，使步进电机低速运行振荡很小、高速运行时转矩维持不变。在控制技术上， 一方面由于采用了斩波恒流控制、正弦脉宽调制和细分技术以及最佳升降频控制，大大提高 了步进电机运行快速性和运行精度，使步进电机在中、小功率范围内向高速精度化领域渗透； 另一方面在电路设计方面，驱动器电路普遍采用单片机加外围电路，或专用SPWM芯片甚至 DSP来产生SPWM信号控制驱动电路上的功率管，从而控制各相绕组细分电流的大小。功率 管目前主要采用的是MOSFET与IGBT，它们具有较高开关频率与较大输出功率的特点。而把 IGBT驱动电路及保护电路等都集成在一起的功率智能模块IPM，具有

9、结构简单、性能稳定等 优点，目前已经开始应用于中、小功率步进电机的驱动器中。低频条件下步进电机工作特点步进电机在控制频率很低的情况下，转子一步一步的连续转向新的平衡位置，每一步的 运动过程是一个衰减振荡过程，在连续单步运行情况下，振荡是不可避免的，但最大振幅不 会超过步距角，因而不会出现丢步现象。但是当控制脉冲频率等于或接近步进电机振荡频率 的1/k倍时，电机会出现低频共振现象。这是由于电机的转子在振荡过程中，可能会出现在 动稳定区域之外。低频振荡是步进电机系统固有的缺点，其主要表现是步进电机的运行不平 稳，噪声较大，力矩下降，严重的甚至失步。一般不允许电机在共振频率以下运行。对于步进电机的振

10、荡问题至今还未有较为完善的研究结果，对步进电机振荡定量分析的 理论也不多。要想完全消除电机的振荡几乎是不可能的，只能采取一些措施，在一定程度抑 制其振荡，防止发生失步。抑制步进电机振荡的方法主要有：1.采用电流细分驱动方式， 适当增加细分数；2.增加阻尼；采用位置或者速度闭环反馈控制。高频条件下步进电机工作特点 高频运行下，当脉冲频率过高，达到或超过最大连续运行频率时，由于绕组电感反电动势的 作用，步进电机定子绕组的电流幅值下降，相位滞后，同时，矩角特性迁跃速度相当快，转 子惯性导致转子跟不上矩角特性的跃变，因此电磁转矩下降很多，带负载能力减弱，从而导 致步进电机高速运行时会产生位置误差，影响

11、步进电机系统动态工作性能和位置精度。为了 消除步进电机高速运行时的位置滞后现象，必须改善驱动器的高频特性，使绕组电流的变化 更好地跟随控制信号的变化。目前通常采用电流补偿来改善步进电机高频运行时的位置误 差。在比较成熟的电路设计与公认的实验测试结果表明，这是一种比较简单也切实可行的方 法，同时也不必去改变时间常数Ts，而是通过改变电机绕组的供电电压来改善电流上升沿步进电机微步驱动步进电机的细分驱动本质上讲是通过对步进电机的定子绕组电流的控制，使步进电机内 部的合成磁场按某种要求变化，从而实现步进电机步距角的细分。从之前的分析可知，以两相步进电机为例，如果步进电机定子绕组按照A+A+B+一 B+

12、 A-B A A-B B A+B A+ 的顺序轮流通电，每通电、断电一 次，定子合成磁矢量转过45电角度，步进电机的转子则在定子合成磁动势的作用下步进 旋转，每一步转过一个步距角，即45电角度。一个周期内完成八拍动作。下表列出了一个周期内八个状态对应的两相绕组通断情况：两相步进电机半步时序表时序A+A-B+B-1100021010300104011050100601017000181001那么不难想象，如果控制每项绕组电流的波形，使其阶梯上升或下降，即在0和最大值 之间给出多个稳定的中间状态，定子磁场的旋转过程会出现多个稳定的中间状态，对应步进 电机转子旋转的步数增多，步距角减小。例如，一个周

13、期的电流波形分成20个阶梯，电流 每变化一个阶梯，对应合成磁矢量旋转360/20=18电角度，一个整的步距角分成20个小 步。当转子按照此规律转过20小步后，即走过一个步距。以上微步思想的数学分析如下图 所示：合成磁场旋转示意图细分控制使每次电流变化的相位角减小了，从而使相邻两个矩角特性曲线迁跃的电角度 变小，相邻两矩角特性曲线的交点处的电磁转矩变大，因此带负载能力得到了提高，这样可 以大大提高对执行机构的控制精度，同时，也可以减小或消除振荡，降低噪音，并抑制转矩 波动。电流波形的选择，可以是三角阶梯波，也可以是梯形阶梯波，目前应用最广泛的是正弦 阶梯波，在理想情况下，如果电动机各相绕组电流波

14、形为正弦波电流，也就是幅值相同，相 位相差90的正弦波电流，则可以得到恒幅均匀旋转的定子旋转磁场。如果以正弦波为参 考，设定绕组电流阶梯波给定波形，即波形上各个阶梯拐点处的电流值均取为正弦波形在该 点的对应值，那么就可以得到均匀的步距角。因此这种方法称为正弦波微步驱动法。微步的应用促使了电流的细分，下图给出了 A、B两相微步细分电流的变化趋势:两相步进电机微步细分电流变化在正弦波微步驱动方式下，定子电流在电机的气隙中产生一个空间幅值恒定的旋转磁 势，该空间磁势的大小和方向与各相电流顺序和大小有关，并且要求驱动单元在电机绕组中 的电流为双向的分级变化的阶梯波（当分级数无限增加时，电流波将形成正弦

15、波），各相电 流之间的相位差为90。电机磁性转子跟踪定子空间磁势移动形成电机旋转，当空间磁势 定位于某点时，转子也定位于该点，实现了精确定位。当某一相电流变化一个完整周期时（其它相电流也各自变化一个完整的周期，只是相角 不同而已），步进电机转子将转过一个齿距，对应的机械角为360 /Z（Z为电机转子齿数）， 若相电流在一个周期内分成N个台阶电流值，转子在每一个台阶电流处于不同的定位点，因 此步进电机的步距角为：a=360 /NZ，或电机每转步数为：S=N*Z。如果每一个正弦周期由 20个电流台阶组成，由于电机的转子齿数Z为200个，则电机的步距角a=360 /（N*Z）=360 /（20*20

16、0）=0.09，电机旋转一周需要的脉冲数为S=N*Z=20*200=4000。不难想象，细分之后的电流时由一个个阶梯状离散数值构成的，其变化趋势符合理想正 弦曲线，如下图所示：微步驱动技术可以说是在对步进电机运行机理深刻认识的基础上提出的，是矢量控制的开环 应用，但是作为一种速度/位置开环控制技术，微步驱动也存在一些问题需要解决，首先是 如何事先给定合适的绕组电流波形，使电动机在全频域范围内获得理想的转矩特性并保证每 步步距均匀和步距精度。从微步驱动的原理和工作过程可以看出，相绕组电流波形的给定对 微步驱动的步进电动机系统的性能具有重要意义。一方面，步进电机的步距角要均匀，定位 准确；另一方面，希望步进电机系统能有合适的输出力矩的特性，例如低频恒转矩，在微步 驱动系统中，这些性能要求都需通过给定合适的定子绕组电流波形来实现。由于步进电机内 部的磁场饱和和非线性性比一般种类的电动机更为严重，所以正弦波阶梯式的电流给定，得 到的步距角可能并非严格的均匀。在复杂的高精度系统中，考虑到非线性的影响，电流的参 考波形可以由实测的矩角特性获得。两相混合式步进电机控制系统分成以下三个主要功能模块：（1）控制模块：接收上位机发送的控制脉冲信号、转向信号以及离合器信号（力矩输出 或切断功能）；控制定子电流细分数，和定子电流大小。根据