可靠性步进电机细分驱动技术研究

盛君 刘锏泽 张仰成 张鼐

摘 要：步进电机细分驱动技术对于提高电机运转的精确性，起到至关重要的作用，也是步进电机的步距角进行高精度细分的关键。本文对步进电机的发展情况进行分析，同时也讲解了可靠性步进电机的驱动细分。

关键词：步进电机；细分驱动；幅值

中图分类号：TM301 文献标志码：A

0 前言

步进电机是为一种机电元件，它依靠电脉冲信号对绕组电流进行控制实现定角转动。与其他类型的电机相比较，其优势在于没有积累误差以及容易开环精确控制，因此步进电机广泛地应用在众多领域中。

步进电机的步距角由于受到制造工艺的影响一般情况下都比较大，而且还存在着低频振动。使用步进电机细分驱动技术有效地减少了步进电机步距角。通过这项技术在一定程度上可以降低步进电机的步距角，同时还可以增强电机运转精度、电机运行的稳定性以及电机控制的灵活性等。

1 频脉宽调制细分驱动

步进电机细分驱动是受到电机的绕组电流影响的，电机会受到固定规律的影响，呈现出降压或升压，可实现稳定的中间电流从零到最大相当前状态。恒频脉宽调制细分技术依据可变细分控制原理产生相应的阶梯波，恒流阶段采用定频脉宽调制，这样就能使功率管工作在开关的状态。采用这种控制模式，在一定程度上不仅能够降低可变细分功率管的损耗，又能够避免由于计算时间长，数字细分脉宽调制不易实现的问题。

恒频脉宽调制细分技术的工作原理，其中，Vref 代表的是阶梯波细分参考信号， PMW 代表的是脉宽调制信号， Va 代表的是相序信号， Vb 代表的是电流反馈信号，Vk 代表的是细分电路输出中的控制信号。

以其中一个阶梯为例来简要说明频脉宽细分驱动原理，首先单片机要输出 PWM 斩波信号，当输出的斩波信号上升时，逻辑控制电路就会开放，相应的 T1 和 T2 功率管就会导通，绕组中的电流此时就会上升。采样电流信号经过放大处理之后产生的反馈信号 Vb 就会加到细分电路上，这时候绕组电流开始上升，其中Vref < Vb ，则Vk 为高电平，T1和 T2 功率管则会继续导通；当绕组电流继续升高到一定的值，即 Vref < Vb 时，Vk 为低电平，此时T1和 T2功率管则会中断，逻辑控制电路也会被封锁。绕组中的能量就会全部通过D1和D2回到电源中去，这样就会使绕组中的电流快速下降。当Vref >Vb 时，Vk 则又变成了高电平，当定频 PMW 信号上升沿到来的时候，就会重新被开放，同时T1和T2 功率管会重新被导通，这样不断地重复下去。

虽然恒频脉宽调制细分技术能够在一定程度上提高定位的精度，并且还能对低频振荡进行克制，在提高效率的同时还能够消除差频噪声，但是该技术只是简单地对电机绕组电流进行控制，这样就会导致细分之后的步角距不均匀，这样就严重限制了步进电机的应用范围，单片机是目前步进电机驱动的主要手段。

2 细分驱动系统的实现

对步进电机而言，合成的磁场的矢量幅值会对旋转的力矩产生决定性的影响，决定着其力矩的大小。两个相邻合成磁场的矢量夹角即为步距夹角大小的关键所在。要想对步进电机的恒力矩进行均匀的细分及控制，就必须对步进电机的吊机绕组的电流进行精确控制。一般来说通过对电流的控制来达到控制电机合成磁场幅值的作用，可保证合成磁场幅值的稳定，并且各个没冲的磁场角度都是均匀变化的，其细分方式通常仅仅改变其中某一相电流，本文以混合步进电机举例，其距角的关系如图1所示。

A相和B相的绕组以TA及TB为单独额定电流的磁场矢量，TBn为第n细分步，B相绕组电流的磁场，以A相为参照相，TA及TB间夹角以记为θ，αn为n细分步磁场的偏离参考点角度，TN为单相额定电流时转矩。

这种方式有一种显著的缺陷，即电流合成矢量幅值并非是稳定不变的，导致步进电机转矩同样会跟着其值的变化而变化，这样就导致了电流矢量的幅值在运行中的稳定性不足，运转不是很稳定，造成滞后角的变化。若细分数大到临界值，而步距角又达到小的临界值时，会早抽滞后角差值△远比所实际需要的细分步距要小，而此时步距的细分也就失去了原本存在的意义，导致细分数量大量增加。而对此类状况，应当尽量对滞后进行抵消，尽量使其在电流及矢量的幅度在最大程度上保持一致。

IA及IB用以表示A、B绕组电流，Im则为电流的幅值，α为转子的偏离角度大小。由于模型中的电流的恒力矩是永远细分且不会发生变化的，所以电机和转矩的角度、电机的非线性运动均是一种接近函数的非常准确的形状。TB和α，的函数关系，也能够依照步进电机的静转矩T-I来表示，也就可以求出I-α的曲线，通过对点击的I-α曲线进行分析，电机的步距就能够用线性和正余弦来叠加求解。

K1为电流依照α的变化状态，K2是正弦及线性之间的固定关系，由于线性和正弦的规律正好可以体现出电机的非线性相关，波形具有均匀性特点所以能够起到细分步距的作用，且这种细分非常均匀。在实践当中，不相同的电机可以通过对 K2进行调整使线性及正弦之间的分量达到所需比例。

以A和B来代表绕组中n细分中的电流的数据变化；M代表细分出的倍数；n则表示细分的步骤编号，取值为0及以上的整数，M、Z、K均为常数；若Z=255；0

结语

对于步进电机高频出力不足的问题和低频振荡等问题，细分驱动技术可以进行改进，大幅提高了步进电机的性能。该技术不仅能够在一定程度上减小步进电机的步距角，而且还在一定程度上增强了电机运转精度、电机运行的稳定性以及电机控制的灵活性等。

参考文献

[1]张靖.步进电机细分驱动器的研究[D].河北农业大学，2003.

[2]雷凯. 步进电机细分驱动技术的研究[D].苏州大学， 2003.

[3] 孙胜利.步进电机细分驱动获得均匀步距的方法研究[J]. 微特电机， 1998（5）：22-24.

[4] 李智强， 周杰， 任胜杰.基于单片机的步进电机细分驱动控制系统[J]. 机电工程， 2007， 24（7）：67-69.