步进电机细分驱动电路设计

前言随着社会的进步和人民生活水平的不断提高及全球经济一体化势不可挡的浪潮，我国微特电机工业在最近10年得到了快速的发展。

快速发展的显着标志是使用领域不断拓宽，用量大增，特别是在日用消费市场和工业自动化装置及系统的表现最为明显。

与此同时，随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术、新材料以及控制理论和电机本体技术的不断发展进步，用户对电机控制的速度、精度和实时性提出了更高的要求，因此作为微特电机重要分枝的控制电机也得到了空前的发展。

步进电动机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行组件。

其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。

步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。

其中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，利用磁导的变化产生转矩。

现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。

步进电机和普通电机的区别主要在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。

不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。

在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。

使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。

步进电机被广泛应用于数字控制各个领域：机器人方面，机器人的的关节驱动及行进的精确控制，需要步进电机；数控机床方面，如数控电火花切割机床要求刀具精确走步，减小加工件表面的粗糙度的同时提高效率，需要步进电机；办公自动化方面，如电脑磁盘驱动器中的磁盘进行读盘操作的精确位置控制，需要步进电机，在打印机、传真机中也需要步进电机对设备进行位置控制。

步进电动机是经济型数控系统经常采用的电机驱动系统。

这类电机驱动系统的特点是控制简单，适合计算机系统控制要求。

步进电动机的细分驱动系统较以往的电机系统，消除了低频震荡问题，控制分辨率更高，使其应用领域更加广泛。

1步进电机的发展背景1.1国外步进电机的发展步进电机的机理是基于最基本的电磁作用，其原始模型起源于19世纪中期，1870年开始出现最早的步进电动机。

此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电动机，不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛应用。

20世纪60年代后期，随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生，而半导体材料的发展则推动了步进电机在众多领域中的应用。

近30年来，步进电机迅速发展并成熟起来。

从发展趋向来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机及同步电动机并列，成为电机的一种基本类型。

1.1.1国内步进电机的发展我国的步进电动机的研究和制造起始于20世纪50年代后期。

从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而开发的少量产品，这些产品以多段式三相反应式步进电动机为主。

70年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破，除了反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究也发展到了一个较高的水平。

70年代中期到80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。

自80年代中后期以来，由于对步进电动机精确模型作了大量的研究工作，各种混合式步进电动机驱动器作为产品广泛应用。

1.2步进电机驱动器的发展1.2.1步进电机驱动方式随着科学技术的发展，步进电机的驱动电路也不断改进，发展了好几种驱动方式。

一般而言，步进电机的驱动方式有以下几种：（1）单电压串电阻驱动单电压串电阻驱动器是最早的驱动器，是实现驱动器的基本功能的最简单的电路实现形式。

单电压串电阻驱动主电路采用单管单端结构，串电阻是为了使绕组导通电流上升的前端变陡，改善高频的特性。

这种驱动器的主要优点是电路简单，成本低；缺点是运行效率低，电阻能量消耗大，电阻发热还会影响整个系统的工作条件。

（2）双电压驱动双电压驱动的基本思想是在较低的频率段用较低的电压驱动，而在高频段时用较高的电压驱动，其主电路采用的是双管双端驱动结构。

绕组中串联电阻比不可少，驱动器存在较严重的发热问题。

转换频率将整个频域分成两段，特性不连续，在低于、接近转换频率时输出特性下降较大。

（3）高低压驱动基本思想是在导通相的前沿用高电压驱动提高绕组导通电流的前沿，而在沿过后用低压驱动维持绕组电流。

主电路采用双管双端结构。

绕组中不需限流电阻，不存在电阻的发热问题。

优点是电机相绕组在很宽的频域都保持很大的平均电流，截止时泻放迅速，扩大了步进电机的运行频域；缺点是低频运行时，绕组的上冲电流比较大，电机的低频域运行不平稳，噪声较大。

（4）斩波恒流驱动主回路由高压晶体管、电机绕组和低压晶体管串联组成，逆变桥可以是多相H半桥结构，也可以是H桥。

这类驱动器的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。

（5）细分驱动细分驱动也称为微步驱动。

即：将一个步距角细分成若干个步的驱动方法。

细分驱动是美国学者在七十年代中期首次提出，它是建立在步进电机的各相绕组理想对称和距角特性严格正旋的基础上的，通过控制电动机各相绕组中电流的大小和比例，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一。

细分驱动的基本思想是在每次输入脉冲时，不是将相绕组电流全部通入或者切除，而是只是改变相应绕组中额定电流的一部分，这样，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，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的实现步进电机的细分驱动。

细分驱动器有效抑制了步进电机低频运行震荡，控制精度很高，是步进电机驱动器的发展方向。

1.3步进电机驱动器国内、外的研究细分驱动电路虽然可以使步距角减小到原来整部运行角的几分之一至几十分之一，实际由于加工误差致使细分后的步距角精度并不高，但细分驱动能极大地改善步进电机运行的平稳性，提高匀速性，减轻甚至消除振荡。

近几年来，由于集成电子技术的发展，细分电路获得了广泛应用。

国外对步进电机的研究一直很活跃。

目前，国外对步进电机的控制和驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片。

结果大大缩小了驱动器的体积，明显提高了整体性能，比较典型的芯片有两类：一类芯片的核心是用硬件和微程序来保证步进电机实现合理的加减速过程，同时完成计长走步，正反转等。

对于开环使用的步进电机，实现合理的加减速过程便可使其达到较高的运行频率而不失步或过冲。

另一类芯片的核心是实现细分技术。

近年来，国外许多厂商相继推出了多种步进电机控制与驱动芯片和多种不同功率等级的功率模块。

仅由几个专用芯片和一个功率模块便可构成一个功能齐全、性能优异的步进电机驱动器。

我国由于微电子技术、集成电路加工技术、电力电子技术水平的限制，目前情况下暂不能实现步进电机专用集成驱动芯片的设计和生产，所以，用集成加分立元件开发出适合我国国情的高性能驱动器是一个比较现实的做法。

[1]2 步进电机原理现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。

其中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，利用磁导的变化产生转矩。

现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。

2.1 反应式步进电动机的工作原理反应式步进电动机的转子齿数r Z 基本上是由步距角的要求所决定，但是为了能实现“自动错位”，转子的齿数必须满足一定的条件，而不能是任意数值。

当定子的相邻极为相邻相时，在某一极下若定、转子的齿对齐时，则要求在相邻极下的定、转子齿之间应错开转子齿距的1/m 倍，即它们之间在空间位置上错开360/ m r Z 角。

由此可得出这时转子齿数应符合下式条件 mk Zr 1Pr 2±= (2.1) 式中 r P ——反应式步进电动机的定子极对数；m ——电机的相数；K ——正整数图2.1 三相步进电动机的展开图Figure 2.1 three-phase stepping motor launch figure从图2.1给出的步进电动机定、转子展开图中可以看出：当A 极面下的定、转子齿对齐时，B 极和C 极极面下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距，即3°。

从图2.1中可以看到，若断开A 相控制绕组而由B 相控制绕组通电，这时电机中产生沿B 极轴线方向的磁场。

同理，在磁阻转矩的作用下，转子按顺时针方向转过3°使定子B 极面下的齿和轮子齿对齐，相应定子A 极和C 极面下的齿又分别和转子齿相错三分之一的转子齿距，依此，当控制绕组按A-B-C-A 顺序循环通电。

转子就沿顺时针力向以每—拍转过3°的方式转动。

若改变通电顺序，即按A-C-B-A 顺序循序通电，转子便沿逆时针方向同样以每拍转过3°的方式转动。

此时为单三拍通电方式运行。

采用三相单双六拍通电方式运行，即按A-AB-B-BC-C-CA-A 顺序循环通电，步距角也减小一半，即每拍转子仅转过1.5°。

由以上分析可知，步进电动机的步距角θ的大小足由转子的齿数r Z 、控制绕组的相数m 和通电方式所决定，它们之间存在以下关系 CmZ r360=θ （2.2） 式中通电状态系数，当采用单拍或双拍方式时，C ＝1；而采用单、双拍方式时，C ＝2。

若步进电动机通电的脉冲频率为f (即每秒的拍数或每秒的步数)， 则步进电动机的转速为 Cm Z f n r 60= （2.3） 反应式步进电动机是利用磁阻转矩使转子转动的，是我国目前使用最广泛的步进电动机型式。

同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时的步距角θ也是不同的。

采用单双拍通电方式时，步距角要比单拍通电方式时减小一半。

在实际使用中，单三拍通电方式由于在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕组开始断电容易造成失步，此外，由单一控制绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，故运行的稳定性较差，所以很少采用。

通常将它改为“双三拍”通电方式。

步进电动机除了做成三相外，也可以做成三相、四相、五相、六相或更多的相数。

由式（2.2）可知，电机的相数和转子齿数越多，则步距角θ就越小，从式(2.3)又可知．这种电机在脉冲频率—定时转速也越低。

但电机相数越多，相应电源就越复杂，造价也越高。

所以，步进电动机一般最多做到六相，只有个别电机才做成更多相数的。

2.2 矩角特性在不改变通电状态，即控制绕组电流不变时，步进电动机的静转矩与转子失调角的关系称为矩角特性。

静转矩的正方向取θ增大的方向，如图2.2所示。

当一相通电，该极下定、转子齿正好对齐，即θ＝0时，静转矩T ＝0；转子齿正对定子槽间，即θ＝π时．静转矩T=0。