可靠性步進電機細分驅動技術研究

盛君 劉锏澤 張仰成 張鼐

摘 要：步進電機細分驅動技術對于提高電機運轉的精確性，起到至關重要的作用，也是步進電機的步距角進行高精度細分的關鍵。本文對步進電機的發展情況進行分析，同時也講解了可靠性步進電機的驅動細分。

關鍵詞：步進電機；細分驅動；幅值

中圖分類號：TM301 文獻標志碼：A

0 前言

步進電機是為一種機電元件，它依靠電脈沖信號對繞組電流進行控制實現定角轉動。與其他類型的電機相比較，其優勢在于沒有積累誤差以及容易開環精確控制，因此步進電機廣泛地應用在眾多領域中。

步進電機的步距角由于受到制造工藝的影響一般情況下都比較大，而且還存在著低頻振動。使用步進電機細分驅動技術有效地減少了步進電機步距角。通過這項技術在一定程度上可以降低步進電機的步距角，同時還可以增強電機運轉精度、電機運行的穩定性以及電機控制的靈活性等。

1 頻脈寬調制細分驅動

步進電機細分驅動是受到電機的繞組電流影響的，電機會受到固定規律的影響，呈現出降壓或升壓，可實現穩定的中間電流從零到最大相當前狀態。恒頻脈寬調制細分技術依據可變細分控制原理產生相應的階梯波，恒流階段采用定頻脈寬調制，這樣就能使功率管工作在開關的狀態。采用這種控制模式，在一定程度上不僅能夠降低可變細分功率管的損耗，又能夠避免由于計算時間長，數字細分脈寬調制不易實現的問題。

恒頻脈寬調制細分技術的工作原理，其中，Vref 代表的是階梯波細分參考信號， PMW 代表的是脈寬調制信號， Va 代表的是相序信號， Vb 代表的是電流反饋信號，Vk 代表的是細分電路輸出中的控制信號。

以其中一個階梯為例來簡要說明頻脈寬細分驅動原理，首先單片機要輸出 PWM 斬波信號，當輸出的斬波信號上升時，邏輯控制電路就會開放，相應的 T1 和 T2 功率管就會導通，繞組中的電流此時就會上升。采樣電流信號經過放大處理之后產生的反饋信號 Vb 就會加到細分電路上，這時候繞組電流開始上升，其中Vref < Vb ，則Vk 為高電平，T1和 T2 功率管則會繼續導通；當繞組電流繼續升高到一定的值，即 Vref < Vb 時，Vk 為低電平，此時T1和 T2功率管則會中斷，邏輯控制電路也會被封鎖。繞組中的能量就會全部通過D1和D2回到電源中去，這樣就會使繞組中的電流快速下降。當Vref >Vb 時，Vk 則又變成了高電平，當定頻 PMW 信號上升沿到來的時候，就會重新被開放，同時T1和T2 功率管會重新被導通，這樣不斷地重復下去。

雖然恒頻脈寬調制細分技術能夠在一定程度上提高定位的精度，并且還能對低頻振蕩進行克制，在提高效率的同時還能夠消除差頻噪聲，但是該技術只是簡單地對電機繞組電流進行控制，這樣就會導致細分之后的步角距不均勻，這樣就嚴重限制了步進電機的應用范圍，單片機是目前步進電機驅動的主要手段。

2 細分驅動系統的實現

對步進電機而言，合成的磁場的矢量幅值會對旋轉的力矩產生決定性的影響，決定著其力矩的大小。兩個相鄰合成磁場的矢量夾角即為步距夾角大小的關鍵所在。要想對步進電機的恒力矩進行均勻的細分及控制，就必須對步進電機的吊機繞組的電流進行精確控制。一般來說通過對電流的控制來達到控制電機合成磁場幅值的作用，可保證合成磁場幅值的穩定，并且各個沒沖的磁場角度都是均勻變化的，其細分方式通常僅僅改變其中某一相電流，本文以混合步進電機舉例，其距角的關系如圖1所示。

A相和B相的繞組以TA及TB為單獨額定電流的磁場矢量，TBn為第n細分步，B相繞組電流的磁場，以A相為參照相，TA及TB間夾角以記為θ，αn為n細分步磁場的偏離參考點角度，TN為單相額定電流時轉矩。

這種方式有一種顯著的缺陷，即電流合成矢量幅值并非是穩定不變的，導致步進電機轉矩同樣會跟著其值的變化而變化，這樣就導致了電流矢量的幅值在運行中的穩定性不足，運轉不是很穩定，造成滯后角的變化。若細分數大到臨界值，而步距角又達到小的臨界值時，會早抽滯后角差值△遠比所實際需要的細分步距要小，而此時步距的細分也就失去了原本存在的意義，導致細分數量大量增加。而對此類狀況，應當盡量對滯后進行抵消，盡量使其在電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繞組電流，Im則為電流的幅值，α為轉子的偏離角度大小。由于模型中的電流的恒力矩是永遠細分且不會發生變化的，所以電機和轉矩的角度、電機的非線性運動均是一種接近函數的非常準確的形狀。TB和α，的函數關系，也能夠依照步進電機的靜轉矩T-I來表示，也就可以求出I-α的曲線，通過對點擊的I-α曲線進行分析，電機的步距就能夠用線性和正余弦來疊加求解。

K1為電流依照α的變化狀態，K2是正弦及線性之間的固定關系，由于線性和正弦的規律正好可以體現出電機的非線性相關，波形具有均勻性特點所以能夠起到細分步距的作用，且這種細分非常均勻。在實踐當中，不相同的電機可以通過對 K2進行調整使線性及正弦之間的分量達到所需比例。

以A和B來代表繞組中n細分中的電流的數據變化；M代表細分出的倍數；n則表示細分的步驟編號，取值為0及以上的整數，M、Z、K均為常數；若Z=255；0

結語

對于步進電機高頻出力不足的問題和低頻振蕩等問題，細分驅動技術可以進行改進，大幅提高了步進電機的性能。該技術不僅能夠在一定程度上減小步進電機的步距角，而且還在一定程度上增強了電機運轉精度、電機運行的穩定性以及電機控制的靈活性等。

參考文獻

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