摘要：针对空间应用的两相混合式步进电动机，设计了基于FPCA的电流细分电路，电路的设计采用了矢量恒均匀旋转细分法以及恒流斩波驱动技术，形成多个稳定的中间电流状态，以实现将个步距角细分成若干步的功能，实验结果表明，该细分电路可以有效地提高步进乜动机转动平稳性，尤其可以很好地改善步进电动机的低频振荡跏象。
    关键词：步进电动机，空间应用，电流细分；恒流斩波0引  言步进电动机具有可开环控制、无累计误差、断电自锁、无刷可靠等优点，在自动化控制、工业生产、航空航天等方面有广泛的应用。本文以两桐混合式步进电动机为例，介绍了步进电动机结构及细分原理，设计了空间应用的两相混合式步进电动机细分电路。电路设计采用军品级芯片以保证其空间可靠性。同时，控制方式采用了矢量恒幅均匀旋转细分法以及恒流斩波驱动技术，可以有效地改善步进电动机的低频振荡现象。
    1步进电动机结构及细分原理1 1混合式步进电动机的结构及工作原理,混合式步进电动机定子铁心山软磁薄片叠压而成，内表面呈小齿状结构，定子上绕有多相绕组，可正反向通电。转子滑轴向分成三段，中问一段是永磁体，轴网充磁。、两端是软磁铁心，铁心外表面分布有小齿，且相互错开半个齿距。
    混合式步进电动机综合了磁阻式和永磁式步进电动机的优点。它既能像磁阻式步进电动机那样做成小步距角和具有较高的起动频率和运行频率，又能像永磁式步进电动机那样具备断电时的定位转矩能力。
    以两相混合式步进电动机为例，其单拍工作时定子绕绢的通电顺序为A一B一(A)一(-B)一A。每改变一次通电状态，转予转动1／4齿距角，转动方向由绕组的通电顺序决定。、其步距角公式：
    式中：θ为步进电动机齿距角；N为步进电动机相数；Z为步进电动机转了齿数。
    1 2两相混合式步进电动机细分原理与传统的单拍或双拍工作方式不同，步进电动机的细分在不改变电机结构的情况下，通过定的控制方式，每次只改变电机绕组中额定电流的一部分，形成多个稳定的中间电流状态，以实现将一个步距角分成若干步的方法。
    本文设计的电路采用了矢量恒幅均匀旋转细分法，其波形如图1所示。这种方法的原理是在步进电动机绕组上通以电位角、幅值相等的正弦电流，使电流矢量(或磁场欠最)存空间做圆周旋转运动。
    图2为两相混合式步进电动机的电位角小意图，I为细分后A相和B相之间的巾问态电流矢量，根据细分数的小同，电位角α叫以量化成不I司角2电机的控制及驱动方案2 1控制系统方案控制系统由FPGA、电平转换、DAC电路及通信接口单元组成,图3为整个控制系统的原理框图。
    2 2恒流斩波驱动方案目前，常用的步进电动机驱动方式有单电压驱动、高低压驱动、恒流斩波驱动等。为了得到多个绕组电流的中间态，本系统的驱动电路设计采用了恒流斩波技术。其原理为如下：把控制板输出电压波形(近似正弦波)与电机绕组电流的采样电压同时输入比较器，得到的输出信号加在脉宽调制电路输人端，通过调制电路产生相应脉冲宽度的PwM信号，最终通过这个PwM信号对功放管或驱动芯片的通断时间进行控制，以得到稳定的电机绕组电流值，原理如图4所示3系统硬件设计本文采用的两相混合式步进电动机参数如下：相数2，步距角1.8。，额定相电流3 A，相电阻1 6 n，相电感5.lmH，额定静转矩1.2 N·m。
    3 1控制电路控制电路的主要功能是给出方向信号以及参考电压信号，参考电压作为恒流斩波驱动的输人，最终控制绕纰电流大小，如图5所示。其中，方向信号DIR由FPGA的IOll产生，通过电半转换芯片74ALVcl64245后，连到LMD18200的D管脚；参考电平的数字量由FPGA的10口产生，电、平转换后通过DAc输出模拟波形，该模拟波形近似为正弦波(近似程度与细分数设置有关)。
    3 2驱动电路驱动电路由LMDl8200、LM555、LM393等芯片搭建而成，具体电路如图6所示。LMDl8200是一款专用于电机控制的II桥芯片，有航天级产品。该芯片在片上集成有COMs控制电路和DM0s功率器件，工作电压高达55 V，峰值输出电流可以达到6 A，连续输出电流3 A，同时具有温度报警输出以及过热。0短路保护功能。。
    LMDl8200的PIN8为感应电流输出端，用以得到电机线绕组的反馈电流，其输出的感应电流值为377×L单位为μA,其中I为OUTl与OUT2之间的绕组电流大小。感应电流通过采样电阻代。后转换成采样电压采样电压U与参考电V比较后输入LM555搭建的单稳态电路，其作用是当采样电机U小于参考电压V时，LM555单稳态电路输出为高电平，当采样电压U大于参考电压V时，LM555单稳态电路输出为低电平(持续时间T由外围电阻R6和电容c4决定)，最后将该输出信号连接到LMD]8200的PIN5，上述过程实现r电流的恒流斩波控制。我们可以通过调节参考电压V或者采样电阻R4来设置电机线绕组电流L的大小，其计算公式如下：
    图7为LMDl8200的方向信号、输出电出及电流波形，其中，关断时间与LM555定时器外围的Rc值有关，T=1.lR6c4。
    4实验结论图8为设计的步进电动机控制系统样机实物照，该系统由一块控制板与一块驱动板组成，通过接插件垂直安装。其中，控制板可以通过出口实现与上位机的通信，通过上位机程序来设置电机的起动、停止、转速、方向以及转动步数。
    图9为实验室中利用示波器实测的控制信号波彤，包括方向信号和参考电压信号，图10为8细分时实测的单相绕纽电流波形图。
    实验证明，细分电路能较好地提高步进电动机转动的连续性，尤其足能很好地改善步进电动机低频下的振荡现象。由于电机绕组为感性负载，本身具有对电流的平滑作用，从图lO可见，8细分时绕组电流就已经呈现出近乎标准的正弦波形。