步进电机细分驱动器设计

迫札而控制应用２００９，３６（７）

分驱动。但是等电流法不能实现均匀细分步距角，而步距角不均匀又容易引起步进电机的振荡和失步；另外，由于电流矢量的幅值不断改变，输出力矩的大小也无法保持恒定。

为了使细分后的步距角均匀一致，且输出力矩恒定，本设计采用了电流矢量恒幅均匀旋转的

细分驱动方法。该方法在空间上将彼此相差２衫

ｍ的ｉｎ相绕组，分别通以相位相差２∥ｍ而幅值

相同的正弦电流，则合成的电流矢量（或磁场矢量）便在空间作旋转运动，且幅值保持不变。这样每当辐角矢量瑾的值发生变化时，合成的矢量都转过一个相应的角度，且幅值大小保持不变，从而实现恒力矩、均匀步距角的细分驱动。１．２控制环节设计方案

根据细分电流原理的分析，驱动器的控制系统对提高步进电机的运行性能至关重要。驱动器的控制环节采用电流跟踪型正弦脉宽调制（ＳＰ．ＷＭ）方式，由细分信号发生环节、细分控制环节和ＰＷＭ环节等组成。将给定信号与电机电流实测信号相比较，若实际电流值大于给定值，则通过逆变器开关器件的动作使之减小；反之，则增加。实际输出电流围绕着给定的正弦波电流作锯齿形变化，并将偏差限制在一定范围内；与此同时逆变器输出的电压波成为ＰＷＭ波。如果逆变器的开关器件具有足够高的开关频率，则电机电流就能很快地调节其幅值和相位，使电机电流得到高品质的动态控制。２

步进电机细分驱动器的设计

驱动器的总体方案如图１所示，整体上可分

为主回路、控制电路和开关电源三大部分。主回路部分采用交一直一交电压型逆变电路形式，由整流滤波电路、三相逆变电路及混合式步进电机等

组成。三相逆变桥电路实现从直流到交流的转

换，为三相混合式步进电机的定子绕组提供要求的交流电流。三相逆变电路由一块智能功率模块

（ＩＰＭ）构成，内部集成了６只绝缘栅双极晶体管

（ＩＧＢＴ）和相应的保护电路，构成三相逆变桥式电路。驱动器采用２只霍尔电流传感器检测步进电机线电流的瞬时值。

控制电路部分由单片机控制器、比例积分调

节电路、ＳＰＷＭ电路和接口电路组成。单片机根

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方数据摔制与应用技术，Ｅ№Ａ

据电机控制器发来的步进脉冲、方向信号和细分设置值，发出相位相差的正弦波，与电机绕组反馈电流相减后再经过比例积分调节器，与三角波进行电压比较，生成ＳＰＷＭ信号，通过接口电路控制ＩＰＭ内的开关，从而使三相混合式步进电机的绕组电流按正弦规律变化，驱动电机转子运转。开关电源用来给驱动器内部的控制电路和１ＰＭ的控制侧提供多路电源。下面就总体设计方案中的核心部分设计进行具体讨论。

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图１

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细分驱动器总体框图

２．１单片机控制电路

单片机需要处理步进脉冲信号（ＣＰ）、方向控制信号、脱机信号和ＩＰＭ的故障信号等输入信号，这几种信号均通过光耦连接到单片机的引脚上。另外还有细分步数设置信号。

在实际运行中，电机绕组电流为阶梯状，正弦阶梯电流的每一阶与电机的每一步相对应，电机每转的步数就是每一个周期正弦电流的阶梯数与电机的磁极对数（转子齿数）的乘积。典型的三相混合式步进电机转子为５０齿，如果一个周期的正弦阶梯电流阶梯数是２０，那么电机的每转步数为２０×５０＝ｌ０００步／转。如果用一个８位数模转换器，理论上可把相电流最大２５６等分，则电机的每转最大步数为２５６×５０＝１２８００步／转。本设计选用的是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的Ｐ８７ＬＰＣ７６９单片机，本身自带８位Ｄ／Ａ。电路工作时，单片机根据ＣＰ、方向信号和当前的细分数设置，从单片机存储器中取出相应的正弦阶梯波的数字量，写入ＤＡＣ寄存器，经过Ｄ／Ａ转换后输出正弦阶梯波到电平转换电路。

当出现脱机信号时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。电机运行中，单片机收到ＩＰＭ的故障信号时，要在１．８ｍｓ内通过Ｌ／Ｏ口立即输出封锁信号，使输

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