步进电机驱动器的关键技术研究

引 言

       步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构。其主要优点是有较高的定位精度，无位置累积误差；特有的开环运行机制，与闭环控制系统相比降低了系统成本，提高了可靠性，在数控领域得到了广泛的应用。但是，步进电机在低速运行时的振动、噪声大，在步进电机的自然振荡频率附近运行时易产生共振，且输出转矩随着步进电机的转速升高而下降，这些缺点限制了步进电机的应用范围。步进电机的性能在很大程度上取决于所用的驱动器，改善驱动器的性能，可以显著地提高步进电机的性能，因此研制高性能的步进电机驱动器是一项普遍关注的课题。


1 步进电机驱动控制系统概述
通常情况下，步进电机驱动系统由3部分构成：
①控制电路。用于产生脉冲，控制电机的速度和转向。
②驱动电路。即本文的研究内容，由图1所示的脉冲信号分配和功率驱动电路组成。根据控制器输入的脉冲和方向信号，为步进电机各绕组提供正确的通电顺序，以及电机需要的高电压、大电流；同时提供各种保护措施，比如过流、过热等。
③步进电机。控制信号经驱动器放大后驱动步进电机，带动负载。



2 步进电机驱动方法的比较
2．1 恒电压驱动方式
2．1．1 单电压驱动
        单电压驱动是指在电机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。如图2所示，L为电机绕组，VCC为电源。当输入信号In为高电平时，提供足够大的基极电流使三极管T处于饱和状态，若忽略其饱和压降，则电源电压全部作用在电机绕组上。当In为低电平时，三极管截止，绕组无电流通过。



        为使通电时绕组电流迅速达到预设电流，串入电阻Rc；为防止关断T时绕组电流变化率太大，而产生很大的反电势将T击穿，在绕组的两端并联一个二极管D和电阻Rd，为绕组电流提供一个泄放回路，也称“续流回路”。
单电压功率驱动电路的优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入电阻后，功耗加大，整个功率驱动电路的效率较低，仅适合于驱动小功率步进电机。
2．1．2 高低压驱动
       为了使通电时绕组能迅速到达设定电流，关断时绕组电流迅速衰减为零，同时又具有较高的效率，出现了高低压驱动方式。
如图3所示，Th、T1分别为高压管和低压管，Vh、V1分别为高低压电源，Ih、I1分别为高低端的脉冲信号。在导通前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。高低压驱动可获得较好的高频特性，但是由于高压管的导通时间不变，在低频时，绕组获得了过多的能量，容易引起振荡。可通过改变其高压管导通时间来解决低频振荡问题，然而其控制电路较单电压复杂，可靠性降低，一旦高压管失控，将会因电流太大损坏电机。
2．2 恒电流斩波驱动方式
2．2．1 自激式恒电流斩波驱动
        图4为自激式恒电流斩波驱动框图。把步进电机绕组电流值转化为一定比例的电压，与D／A转换器输出的预设值进行比较，控制功率管的开关，从而达到控制绕组相电流的目的。从理论上讲，自激式恒电流斩波驱动可以将电机绕组的电流控制在某一恒定值。但由于斩波频率是可变的，会使绕组激起很高的浪涌电压，因而对控制电路产生很大的干扰，容易产生振荡，可靠性大大降低。



2．2．2 它激式恒电流斩波驱动
       为了解决自激式斩波频率可变引起的浪涌电压问题，可在D触发器加一个固定频率的时钟。这样基本上能解决振荡问题，但仍然存在一些问题。比如：当比较器输出的导通脉冲刚好介于D触发器的2个时钟上升沿之间时，该控制信号将丢失，一般可通过加大D触发器时钟频率解决。
2．3 细分驱动方式
       这是本文讨论的重点，也是该系统采用的驱动方法。细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩；其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步进电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。
细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时，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。比如：电流分成n个台阶，转子则需要n次才转过一个步距角，即n细分，如图5所示。



        一般的细分方法只改变某一相的电流，另一相电流保持不变。如图5所示，在O°～45°，Ia保持不变，Ib由O逐级变大；在45°～90°，Ib保持不变，Ia由额定值逐级变为0。该方法的优点是控制较为简单，在硬件上容易实现；但由图6所示的电流矢量合成图可知，所合成的矢量幅值是不断变化的，输出力矩也跟着不断变化，从而引起滞后角的不断变化。当细分数很大、微步距角非常小时，滞后角变化的差值已大于所要求细分的微步距角，使得细分实际上失去了意义。
这就是目前常用的细分方法的缺陷，那么有没有一种方法让矢量角度变化时同时保持幅值不变呢?由上面分析可知，只改变单一相电流是不可能的，那么同时改变两相电流呢?即Ia、Ib以某一数学关系同时变化，保证变化过程中合成矢量幅值始终不变。基于此，本文建立一种“额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法，以消除力距不断变化引起滞后角的问题。如图7所示，随着A、B两相相电流Ia、Ib的合成矢量角度不断变化，其幅值始终为圆的半径。 [page]




        下面介绍合成矢量幅值保持不变的数学模型：当Ia=Im·cosx，Ib=Im·sinx时(式中Im为电流额定值，Ia、Ib为实际的相电流，x由细分数决定)，其合成矢量始终为圆的半径，即恒力距。
         等角度是指合成的力臂每次旋转的角度一样。额定电流可调是指可满足各种系列电机的要求。例如，86系列电机的额定电流为6～8 A，而57系列电机一般不超过6 A，驱动器有各种档位电流可供选择。细分为对额定电流的细分。
         为实现“额定电流可调的等角度恒力距”，理论上只要各相相电流能够满足以上的数学模型即可。这就要求电流控制精度非常高，不然Ia、Ib所合成的矢量角将出现偏差，即各步步距角不等，细分也失去了意义。下面给出了基于该驱动方法的驱动器的设计方案。


3 二相步进电机驱动器的总体设计方案
3．1 系统设计框图
如图8所示，控制板信号经过光耦隔离与单片机中断口相连。



        单片机根据收到的脉冲信号进行脉冲信号分配，确定各相通电顺序，并与CPLD里面的D触发器相连；同时根据用户设定的电流值和细分数通过SPI口与D／A转换器AD5623通信，得到设定的电流值(实际上是电流对应的电压值)。
        AD5623输出的值为期望的电流对应的电压值，它必须与从功率模块检测得到的电流对应的电压值进行比较，并把比较结果与CPLD里面的D触发器CLR引脚相连。
         CPLD与电流、细分设定的拨码开关相连，把得到的值通过SPI口传给单片机；以D触发器为核心的控制逻辑，根据单片机的各相通电顺序和比较器MAX907的比较结果确定各功率管的开关。
         功率驱动模块直接与电机相连，驱动电机。采用8个MOS管IRF740构成2个H桥双极型驱动电路。IRF740最高可承受400 V电压和10 A电流，开关转换时间不会超过51 ns，管子导通电压Vgs的取值范围为4～20 V。
3．2 细分关键技术方案
       “额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法的实质是恒流控制，关键是电流的精确控制，必须同时满足以下各个条件：

①D／A转换器输出的电流值必须与期望值相当接近，而且转换速度要快。该系统采用ADI公司的AD5623，12位精度，分成4 096个等级，满足了200细分的高精度要求；2路D／A输出满足两相的要求；SPI口通信，频率高达50 MHz，建立时间快，同时单电压供电，连接简单。
②检测到的电流必须能正确地反映此时的相电流。由于电机的相电流通常很大，电压很高，检测有一定的难度。常用的检测方法有外接标准小电阻，电路简单，但干扰比较大，准确性比较差；霍尔传感器检测准确，干扰小，连接也不复杂，所以该驱动器采用霍尔传感器。
③比较器分辨率要高，转换速度快。MAX907的建立时间只需12 ns，比较的电压只要相差2 mV即可检测出来(最大不超过4 mV)，反应非常灵敏。
④控制功率管开关的逻辑电路要有很高的实时性，保证相电流在设定电流上下做很小的波动，以免引起浪涌，干扰控制电路。
本文采用Xilinx公司的CPLD芯片XC9572。以D触发器为核心的控制电路全部由CPLD完成，CPLD代替了各种分立元器件，结构简单，连接方便。图9是控制电路的逻辑图。



        如图9所示，当比较结果为低电平时(检测到的电流大于设定电流)，D触发器输出为1，或门输出高电平，关断管子，电流变小；当检测到电流小于设定电流时，管子导通，从而保证相电流在设定电流上下做很小的波动。


结 语
        本文建立了“额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法，并基于该方法设计实现了二相混合式步进电机驱动器，最高可达200细分，驱动电流从O．5 A／相到8 A／相可调，可驱动24系列到86系列的步进电机。实际应用证明，该方法基本上克服了传统步进电机低速振动大和噪声大的缺点，电机在较大速度范围内转矩保持恒定，提高了控制精度，减小了发生共振的几率，具有很好的稳定性、可靠性和通用性，且结构简单。