一種改進的步進電動機驅動控制方法

吳 優，胡 清

(廣東工業大學，廣東廣州510006)

0 引 言

步進電動機驅動系統具有可靠性高、結構簡單、控制方便、性能優越、成本低等優點，在數控機床、儀表自動化等領域中應用非常廣泛。在實際應用中，步進電動機往往存在高頻失步和低頻振蕩等問題，這些問題嚴重制約著步進電動機的應用范圍。如何克服步進電動機失步及振蕩已有很多研究［1－3］。通常采用增大阻尼系數或采取細分驅動的方式，也有采用檢測轉子位置來確定電機繞組的最佳換相時間的方法來抑制步進電動機的振蕩。混合式步進電動機的結構不同于其他類型電機，其內部的各個狀態變量高度非線性、相互耦合，如果采用閉環控制不僅較復雜，而且很難達到理想的效果。

本文在分析了步進電動機失步和振蕩產生原因的基礎上，提出了改進細分驅動控制方法---- 互補驅動，并且結合一種新型續流回路的步進電動機驅動方式。通過仿真分析和實驗證明，本文所采用的方法能有效解決步進電動機振蕩和失步的問題，提高步進電動機輸出轉矩。

1 互補驅動法原理與實現

互補驅動方法的基本思路是在考慮到繞組電感特性的基礎上，盡量將繞組電感特性這一非線性因素降到最小。這種方式不僅保留了細分驅動的優點，改善低頻振蕩，還提高了步進電動機換相時切換效率，提高輸出轉矩。

1.1 低頻振蕩分析與處理

步進電動機運行時，轉子運動是一個振蕩衰減的過程，繞組通電狀態改變一次，轉子就轉動一個步距角［1］。每步進一步，轉子就在新的平衡位置附近振蕩一次。另外在阻尼不強的情況下，當脈沖周期為振蕩周期的整數倍時，步進電動機還會發生低頻共振現象，如圖1所示。

結合步進電動機的運行機理，不可能徹底消除振蕩現象，只能采取一些方法，在一定程度上抑制電機的振蕩，防止電機失步。目前，抑制步進電動機振蕩的方法主要有:(1)增加阻尼系數;(2)細分驅動方式，如適當增加細分數;(3)采用位置閉環控制方式;(4)脈寬調整法［1］。本文采用的是基于細分驅動方式和增加電子阻尼的驅動方式。

圖1 步進電動機低頻振蕩曲線

1.2 繞組電感特性對電機運行的影響

(1)細分的理論基礎

通過以上分析，為了改善步進電動機振蕩問題，提高電機運行平滑性，采用了細分驅動方式控制步進電動機。根據文獻［4］中推導，兩相混合式步進電動機兩相通電時電磁轉矩可以表示:

此式表明二相混合式步進電動機的矩角特性為正弦曲線的特性，這點即是能夠實現步進電動機細分控制的理論基礎。由式(1)可得給兩相定子施加如下相角關系的電流:

就能在電機內部構成等幅且旋轉的電流空間矢量。

(2)繞組電感特性的非線性因素分析

由式(2)可得，要使步進電動機內部合成磁場是等幅的圓形旋轉磁場，則電機勵磁繞組中的電流要嚴格按照式(2)中的正弦曲線變化。但在實際應用中，由于PWM往往只改變電機繞組的端電壓(電壓型控制)，而不是直接控制電流值，并且加上電機各繞組的電感特性以及相互耦合等非線性因素，使得在電機勵磁繞組中的電流并不能很好地按照給定正弦曲線變化。

對于一臺兩相六線制混合式步進電動機，為了獲得高頻輸出轉矩，采用單級驅動方式，如圖2所示。這樣就將原本正、負通電的A組繞組分成正向繞向的A相和反向繞向相，B相繞組也同樣被分成正向繞向的B相和反向繞向的相，實際上成為一臺二相四繞組混合式步進電動機［6］。

圖2 單極驅動原理圖

對于上述單級驅動方式，假設每一相繞組電流變化范圍是0～Imax，同時對應的靜轉矩變化為0～Temax。當電機換相時，以A相為例，其繞組中電流變化趨勢可簡單認為:

在換相前、后，繞組中電流變化Δi與時間t正相關。若能在保證電流變化量Δi不變的情況下，減少換相時間t，則電機高頻特性就會得到改善，從而提高電機的驅動品質。

1.3 互補驅動方式的具體實現

通過以上分析，步進電動機采用單極驅動方式，四個開關器件工作方式應滿足以下幾個條件:

(1)T1和T3信號互補，T2和T4信號互補;

(2)兩組互補信號相位相差90°。

2 續流回路

2.1 續流回路的作用

在步進電動機驅動試驗中，發現步進電動機處于高頻運行狀態時，電機發熱嚴重，時常失步，力矩下降厲害。究其原因是在電機換相過程中繞組電流下降速度太慢，導致電機“殘留”的反向力矩比較大，電流波形發生畸變，如圖6所示，電機發熱，力矩下降。同時，在不采取任何續流措施的情況下，繞組中反電動勢非常高，長時間工作在此狀態下會擊穿MOS管，甚至會毀壞電機。

為了改善電流波形的后沿，在設計驅動電路時增加了一個續流泄放回路，使繞組中的“殘留”電流通過泄放回路加快泄放，降低電機發熱，改善了繞組電流波形，提高電機高頻輸出轉矩，保證功率器件的安全。

2.2 續流方式選擇與實現

續流回路要保證繞組中電流泄放速度適當，既不能太慢，也不能太快。電流泄放速度太慢，會導致高頻轉矩輸出不夠;電流泄放太快，又會導致換相時繞組中反電動勢太高而擊毀MOS管。所以對換路時電流的控制既要保證電機具有適當的阻尼系數，避免繞組反電動勢過高，又要使電流變化盡量做到一致，減弱走步輕重不一的現象。

基于此，本文設計了一種新的續流電路，既能使繞組中電流快速泄放，又能使反電動勢保持在一個較“低”的水平以保護MOS管。其仿真原理圖如圖3所示，此仿真模型只是為了驗證新型續流回路的可行性，取脈沖占空比為60%。

3 仿真及實驗結果

在MOS管關斷瞬間，電機繞組會產生一個高能量瞬間過壓脈沖(反電動勢)，此時續流模塊中的穩壓二極管被擊穿，電壓被嵌位在預設的水平，從而有效保護驅動MOS管。同時電流流過導通電阻R，并產生一個壓降，觸發續流MOS管導通，此時瞬間高能量經吸收電阻吸收。續流模塊仿真結果如圖4和圖5所示。

圖3 續流模塊仿真模型

從圖4可知，當驅動MOS管關斷時，由繞組中產生的反電動勢將穩壓二極管擊穿，電流流過導通電阻R并產生一個壓降。此壓降就是續流MOS管門極觸發電壓，即續流模塊工作“信號”。當續流MOS管打開時，能量消耗被水泥電阻吸收。

由圖5可知，當驅動MOS管關斷時，繞組中的反電動勢擊穿穩壓二極管，并使驅動MOS管漏極保持在一個預設水平，這樣既保證了繞組中電流快速下降，又不會因為反電動勢過高而擊毀驅動MOS管。

圖6、圖7是在帶負載的情況下驅動同一臺步進電動機時測得的實驗波形。圖6所示的曲線是不帶續流模塊時繞組電流波形，圖7所示的曲線是帶續流模塊時繞組電流波形。橫坐標為時間，縱坐標為采樣電阻上電壓值。

圖6 不帶續流模塊時繞組電流

圖7 帶續流模塊時繞組電流

對比圖6和圖7可看出，在系統中加入續流模塊的情況下，電機繞組中的電流波形要明顯好于沒有加入續流模塊時電機繞組中的波形，驅動效率也更高。這是因為在電機換相過程中繞組中電流不能快速變化，導致換相前的驅動電流在換相后變為“阻礙”電流，而被消耗在繞組中，電機發熱嚴重，電流波形發生畸變。

4 結 語

本文分析了步進電動機低頻振蕩及高頻失步的原因，闡明了通過改進細分驅動和新型續流回路方式抑制步進電動機低頻振蕩及高頻丟步的原理，給出了實際電路仿真波形。該方法新穎、簡單、實用，應用于數控系統中，使電機克服了低頻振蕩，高頻輸出轉矩不足的問題，增強了系統穩定性，提高了步進電動機的驅動品質。

［1］ 姜平，楊平先.一種抑制步進電機振蕩的新方法［J］.微電機，2005，38(3):34 －36.

［2］ 王帥夫，劉景林.帶電流負反饋的混合式步進電機控制系統研究［J］.微電機，2010，43(7):61 －63.

［3］ 胡美君，顏幸堯.基于正弦波細分的步進電機驅動器研究［J］.微電機，2008，41(11):51 －53.

［4］ 李玲娟.多細分兩相混合式步進電機驅動器的研究［D］.西北工業大學，2007:12－16.

［5］ 杜永龍，黃惠東，康興國，等.改善步進電機低頻特性的續流回路方法［J］.探測與控制學報，2009，10(5):60 －63.

［6］ 史敬灼.步進電動機伺服控制技術［M］.北京:科學出版社，2006.