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
0 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vpwm端输入的pwm脉冲宽度调制信号相与，则在与门y的输出端产生受控于vin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il 。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[1～2 ] 。
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
2.1.1 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，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1p4 的步距上升或下降的，原来一步所转过的角度θ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。
2.1.2 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(dpa) 中，由dpa 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) [4～6 ] 。
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(pwm) 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dpa 输出的控制电压进行比较，若检测出的电流值大于控制电压，电路将使功放管截止，反之，使功放管导通。这样，dpa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dpa 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20 khz ，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。
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