一種實用兩相混合式步進電機細分驅(qū)動電路

康惠林

（中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

一種實用兩相混合式步進電機細分驅(qū)動電路

康惠林

（中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

闡述細分驅(qū)動技術(shù)、單極性驅(qū)動電路、電流檢測技術(shù)等內(nèi)容，給出一種在實際應用系統(tǒng)中穩(wěn)定、可靠工作的兩相混合式步進電動機細分驅(qū)動電路。對電路結(jié)構(gòu)、電動機運動與停止狀態(tài)時電路的工作過程進行了仔細分析，給出了實驗測試結(jié)果和相關(guān)分析。理論和應用結(jié)果表明，該電路有利于步進電動機的平穩(wěn)、快速運動，且減少了對外部電源的干擾。

步進電機；細分驅(qū)動電路；續(xù)流；續(xù)流回路

1 引言

步進電機以其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、不累積誤差、無需反饋就可構(gòu)成開環(huán)系統(tǒng)、容易控制等優(yōu)點，成為數(shù)控系統(tǒng)的最佳執(zhí)行元件之一而得到廣泛應用?；旌鲜讲竭M電機的分辨率較高，繞組電感較小，效率高，其細分驅(qū)動逐步成為步進電機應用的主流。本文扼要闡述了與細分驅(qū)動電路相關(guān)的細分驅(qū)動技術(shù)、單極性驅(qū)動電路、電流檢測技術(shù)等內(nèi)容之后，給出一種實用的細分驅(qū)動電路，對其電路結(jié)構(gòu)和工作過程進行了分析，并給出實驗測試結(jié)果和實驗分析。

2 細分驅(qū)動電路要點

2.1 細分驅(qū)動技術(shù)

細分驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)方法較簡單，對步進電動機運行性能有較大改善，逐步成為步進電機驅(qū)動技術(shù)的主流。本文涉及的系統(tǒng)也采用細分驅(qū)動法。細分驅(qū)動的本質(zhì)，是在細分數(shù)和時序狀態(tài)控制下，跟蹤給定電流波形，對電動機相繞組電流進行控制。步進電機根據(jù)組合電磁鐵理論進行設(shè)計，內(nèi)部磁場非線性特性嚴重，如何事先確定合適的繞組電流波形，使電機在全頻域范圍內(nèi)獲得理想的轉(zhuǎn)矩特性并保證步距精度，是細分驅(qū)動技術(shù)面臨的問題和實現(xiàn)關(guān)鍵?，F(xiàn)階段許多研究者針對不同的應用需求，分別采用理論分析、試驗測定、擬合算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，或者是外加位置閉環(huán)校正的辦法得到不同的電流給定值［1］。

“正弦階梯波給定法”以正弦波為參照設(shè)定繞組電流的階梯波給定波形，對繞組電流進行閉環(huán)控制，得到均勻的步距角，定位準確，具有合適的輸出力矩特性。本文涉及的系統(tǒng)也采用該法。

利用電流跟隨PWM技術(shù)和電力電子器件可以很容易實現(xiàn)繞組電流波形控制，使其值以一定精度跟隨精心給定的參考電流值，從而實現(xiàn)細分驅(qū)動，改善電機運行性能。

2.2 單極性驅(qū)動電路

依據(jù)主電路結(jié)構(gòu)的不同，混合式步進電機驅(qū)

兩相混合式步進電機要求電機勵磁繞組有時通正向電流，有時通反向電流［2］。如果將電機繞組雙線并繞，將一相繞組分成二相，其中之一正向通電，另一相則反向通電，就可以達到采用單極性供電對電機進行正、反向勵磁的目的。典型的單極性驅(qū)動電路如圖1所示。

圖1 單極性驅(qū)動電路Fig.1 The unipolar drive circuit

圖1所示的驅(qū)動電路只用4個功率開關(guān)管，結(jié)構(gòu)簡單，電機的繞組在同一時刻只有一半通電，繞組電感小，有利于電機的高速運動，但這也導致其在中低速運行時轉(zhuǎn)矩不如整個繞組同時勵磁的運行狀態(tài)或只能整繞組勵磁的電機。根據(jù)實際系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩特性和運行速度要求，從降低成本的角度出發(fā)，本文設(shè)計的細分驅(qū)動電路采用單極性驅(qū)動的方式。

2.3 電流檢測技術(shù)

實現(xiàn)細分驅(qū)動必須靈活地控制繞組電流。實現(xiàn)電流控制的方法很多，且都要求精確、完整地檢測電流，將電流值實時、準確地傳送到相關(guān)環(huán)節(jié)（如放大環(huán)節(jié)）進行處理，才能驅(qū)動開關(guān)功率器件，實現(xiàn)繞組電流的準確控制。

當電機采用單極性驅(qū)動電路時，只需在繞組上串接一個電阻，就能檢測到完整的電流波形；當電機采用雙極性驅(qū)動電路時，如果只在繞組上串接一個電阻，檢測到的電流波形是離散的，且不能完整地檢測到電流。為了得到完整電流，人們或采用HALL電流傳感器，或?qū)Σ蓸与妷哼M行采樣保持，或重新構(gòu)造電流檢測電路。還有人提出“恒頻脈寬調(diào)制型細分驅(qū)動法”解決這個問題［3］。

執(zhí)行電流采樣任務(wù)的器件選擇要根據(jù)實際情況進行。分立器件存在溫漂、可靠性差、調(diào)節(jié)難度大等問題，提高成本去采用精度高、溫度穩(wěn)定性好的集成芯片實現(xiàn)時，可消除這些問題，又提高采樣的抗干擾能力［4］。

由于本文采用了單極性驅(qū)動電路，采樣電流時只在繞組與地端串接一個采樣電阻，采用模擬運算放大器按一定規(guī)則進行采樣，再在軟件設(shè)計時采用一定的數(shù)字濾波方法對A／D采樣值進行處理，就可以較低成本完成電流檢測的任務(wù)。

3 細分驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)與分析

3.1 細分驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的驅(qū)動電路采用單極性驅(qū)動的方式，在繞組與地之間串接了一個電流采樣電阻，檢測繞組電流，用于控制相繞組電流跟蹤給定的正弦電流波形，從而實現(xiàn)電動機的細分驅(qū)動。驅(qū)動電路的整體如圖2所示，采樣電路如圖3所示。

圖2 細分驅(qū)動電路Fig.2 The micro-stepping drive circuit

圖3 采樣電路Fig.3 The sampling circuit

圖2中，VBB是驅(qū)動電路的直流工作電壓。繞組A被分為A相和相，繞組B被分為B相和相。C3用于削減繞組電勢尖峰，穩(wěn)定回路電壓。D1是瞬態(tài)抑制二極管（TVS管），它能大大加快繞組放電速度。D2，D3，D4，D5，D6是二極管，D2起單向?qū)щ娮饔?，D3，D4，D5，D6為繞組提供續(xù)流通道。Q1，Q2，Q3，Q4，Q5是 N 溝道 MOSFET，Q1為繞組提供續(xù)流通道，也為C3提供放電回路，Q2，Q3，Q4，Q5用于控制電機繞組的通電狀態(tài)。R1可提高繞組放電的速度，限制C3通過Q1放電的速度。R2在有微電流經(jīng)過時抬升N，M間的電壓，使Q1管導通。R3，R4，R5，R6為采樣電阻，用于繞組電流的檢測。圖3為繞組A的電流采樣電路，繞組B類似。如果各電阻值滿足R4＝R1＝3R2＝3R3，則有：VAD＿A＝Vr＋3（VAD＿A--VAD＿A＋）。電路采用單電源運放，偏置電壓使交流信號變?yōu)橹绷餍盘?，對電流信號進行差分放大，繞組在一個PWM周期平均電流就可以被采樣到控制器。

3.2 細分驅(qū)動電路分析

細分驅(qū)動電路沒有為每相繞組設(shè)置續(xù)流回路，而是采用一個由R1，D2，D1，R2構(gòu)成的續(xù)流通道給所有繞組續(xù)流。為了通過多繞組的較大電流，將Q1與續(xù)流通道并聯(lián)，且利用R2兩端電壓驅(qū)動Q1，形成大電流續(xù)流回路。在各相繞組連接的開關(guān)管關(guān)斷瞬間，繞組產(chǎn)生尖峰脈沖，被C3吸收，繞組電流通過 R1，D2，D1，R2和 R1，Q1構(gòu)成的2個續(xù)流通道而迅速衰減。細分驅(qū)動電路既減少了器件的使用數(shù)量和PCB面積，又實現(xiàn)繞組快速放電，是一種實用的電路。

驅(qū)動電路所在系統(tǒng)中，控制器輸出的每一路PWM波經(jīng)驅(qū)動電路整理后形成極性相反的兩路PWM驅(qū)動信號，用于控制與同一繞組（A或B）連接的2個MOSFET。這使得在每一個PWM周期內(nèi)，連接繞組的2個MOSFET在同一時刻一個導通，另外一個截止，且都要經(jīng)歷一次導通與截止的狀態(tài)。為簡單起見，下面以電動機的繞組A為研究對象對電路工作過程進行分析，繞組B的工作情況類似。

3.2.1 一個PWM周期內(nèi)的動作

3.2.2 電機運動與停止時的動作

繞組斷電瞬間的感應電動勢較大，加載在R1，D2，D1，R2之間時，D1工作在反向微導通狀態(tài)。這樣，就有一個微電流流經(jīng)R2，使N，M兩點的電壓抬升到大于Q1的VGS（th）的值域，使得Q1處于飽和導通狀態(tài)，此時繞組電流可以通過R1，D2，D1，R2和 R1，Q12個續(xù)流通道續(xù)流而迅速衰減。

對于單相繞組而言，電動勢衰減到D1的VRWM值時，只能通過 R1，D2，D1，R2構(gòu)成的單個續(xù)流通道繼續(xù)續(xù)流。但是，由于續(xù)流回路可以為多個電機的多個繞組續(xù)流，實際上R1，Q1構(gòu)成的續(xù)流通道處于常導通狀態(tài)，因此在電動機運動時每相繞組均可以經(jīng)過2個通道續(xù)流。

電動機在運動的狀態(tài)下，電容C3不斷被繞組充電，各相繞組對C3進行充電的同時，C3也在通過續(xù)流通道放電，兩者達到動態(tài)平衡時，C3兩端電壓維持在一個穩(wěn)定值附近。

當PWM驅(qū)動信號不再輸出時，各個MOSFET均不開通，各繞組通過續(xù)流將磁能釋放完畢后不再被充電勵磁，電動機停止運動，C3不再被繞組充電而只放電。

C3端電壓迅速減小到TVS管的VRWM值時，D1管處于高阻狀態(tài)，N，M兩點電壓接近0，Q1完全截止，C3余留的電荷通過由 R1，D2，D1，R2和由R1，Q1構(gòu)成的通道緩慢地進行泄放。

3.3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證上述分析，下面給出實驗結(jié)果和相關(guān)分析。為了分別觀察到電機運動和停止時電路的工作情況，本實驗的測試程序設(shè)定電機的運動規(guī)律為：輸出PWM波，使電動機運動1.5s而正、反轉(zhuǎn)各一圈，然后停止輸出PWM波，使電動機停機1.5s，如此循環(huán)，直到斷電。

按照該方法驅(qū)動電機運動，用示波器獲取驅(qū)動電路中M，N，P，Q共4個點的電壓波形。為方便分析，實驗時將N，P，Q點的波形進行了兩兩測取。測取這4個點的電壓時，均以PCB的模擬地端為參考點，結(jié)果分別如圖4～圖6所示。

圖4 M點波形Fig.4 The waveform of Mpoint

圖5 N點和P點波形Fig.5 The waveforms of Nand Ppoint

圖6 N點和Q點波形Fig.6 The waveforms of Nand Qpoint

圖4中，電機的工作電壓可以穩(wěn)定工作在24 V，電壓紋波很小，這說明電機繞組對外部直流電源的干擾很少。

圖5和圖6中，下端曲線為N點電壓波形。在電機運動時，N，P，Q點電位分別躍升并維持在28V，128V和132V。1.5s后電機停止運動，N點電位迅速下降，N，M兩點電壓迅速變?yōu)?V（N點電位為24V）；P，Q兩點電位在PWM波剛停止發(fā)出時迅速下降，繼而按照一定衰減規(guī)律緩慢下降，當衰減時間到1.5s時，兩點電位均下降到60 V。此時PWM波恢復輸出，電動機重新開始運動，N，P，Q電位分別重新回到并維持在28V，128V和132V。該過程循環(huán)往復。當電機工作電壓掉電時，繞組不再對C3充電，C3緩慢進行放電。

圖5和圖6說明，電動機在運動時TVS管反向微導通，N，M兩點形成電壓差，將Q1導通，形成兩路續(xù)流通道，也為C3提供放電通道。這樣C3充、放電同時進行，達到動態(tài)平衡，維持一個較大的端電壓。而當電動機停止運動或者掉電時，繞組不再對C3充電，C3迅速放電到D1的VRWM時D1變?yōu)楦咦柙?，C3只有通過由R1，D2，D1，R2和由R1，Q1構(gòu)成的通道放電，而且放電電路時間常數(shù)很大。

3.4 關(guān)鍵器件的選擇

驅(qū)動電路關(guān)鍵器件必須仔細選擇，各個器件參數(shù)確定的原則是：

1）C3的耐壓值要根據(jù)電動機繞組感應電動勢值并按一定倍數(shù)的裕量進行給定，電容值要考慮放電時間的大小進行確定；

2）D1管的VRWM值應該根據(jù)電動機繞組感應電動勢值進行確定，要特別注意其工作特性曲線；

3）R1電阻值的確定既要考慮提高繞組放電速度，又要考慮C3端電壓和Q1的IDS值；

4）R2電阻值的選擇既要根據(jù)D1管的工作特性曲線確定D1在C3端電壓作用下的反向?qū)ㄎ㈦娏鞔笮?，又要注意Q1較好導通時的VGS值；

5）Q1的VGS要根據(jù)電動機繞組感應電動勢值并按一定倍數(shù)的裕量進行選擇。

在測試該驅(qū)動電路時，使用了型號為103H549-0440的三洋兩相混合式步進電動機，該電機額定相電流為1.2A，相電阻為3.3Ω，相電感為3.8mH。其他關(guān)鍵器件的類別及關(guān)鍵參數(shù)的選定情況如表1所示。

表1 關(guān)鍵器件參數(shù)選擇表Tab.1 The parameter list of key devices_____

3.5 細分驅(qū)動電路的特點

細分驅(qū)動電路在繞組與工作電源之間增加了續(xù)流回路，隔絕了繞組反電動勢與電源之間的直接聯(lián)系。細分驅(qū)動電路具有以下特點：

1）續(xù)流回路為繞組電流提供泄放渠道，減少電機的熱耗散，在確保電機正常運行的同時，減小電動機本體的溫升；

2）只用續(xù)流回路并聯(lián)一個MOSFET就可以實現(xiàn)多電機多繞組的快速續(xù)流，精簡電路版體積，降低成本；

3）續(xù)流回路包含TVS管，大大加快了繞組釋放磁能的動作，有利于提高電動機的升速性能和高速運動的品質(zhì)；

4）快速續(xù)流回路可實現(xiàn)各相繞組電流的線性調(diào)節(jié)，通過改變同一繞組的兩相線圈的勵磁時間，同時注意2個繞組電流的相序，就可以在細分驅(qū)動過程中方便地調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)矩；

5）繞組感應電動勢通過續(xù)流電路衰減而沒有加載在開關(guān)電源上，減少了對工作電壓的干擾，有利于電源的穩(wěn)定工作。

4 結(jié)論

細分驅(qū)動電路采用單極性驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，可以通過實時采樣繞組電流，按照一定控制策略，利用PWM技術(shù)控制MOSFET管的通斷，使電機相電流跟蹤給定的正弦電流波形，從而實現(xiàn)細分驅(qū)動。電路在電機各繞組與工作電源之間增加了一個續(xù)流回路，從而隔絕繞組反電動勢與電源的直接聯(lián)系，有效提高步進電動機在高速運動時的運行性能。本細分驅(qū)動電路在實際應用系統(tǒng)中工作穩(wěn)定、可靠，電動機在中低速運動時運行更加平穩(wěn)且噪聲低，高速運動時溫升降低，升速性能得到提高。

［1］ 史敬灼.步進電動機伺服控制技術(shù)［M］.北京：科學出版社，2006.

［2］ 劉寶廷，程樹康.步進電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997.

［3］ 王麗.二相混合式步進電動機微步驅(qū)動技術(shù)的研究［D］.西安：西安理工大學，2005.

［4］ 李峰，吳一輝，武俊峰，等.直流無刷電機高精度電流采樣系統(tǒng)設(shè)計［J］.電力電子技術(shù)，2010，44（5）：41-43.

修改稿日期：2010-11-20

Practical Micro-stepping Drive Circuit for Two Phase Hybrid Step Motor

KANG Hui-lin

（SchoolofInformationScienceandEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，Hunan，China）

Micro-stepping drive technique，unipolar drive circuit and current sensing technique were briefly interpreted.A micro-stepping drive circuit for two phase hybrid step motor，which works with favorable stability and reliability in practical application system，was presented.The structure of the circuit and the work process of the rotating and stationary mode of motor were carefully analyzed，experimental results and related analysis were presented.The theoretical and applied results prove that this circuit does good for the stable and fast rotation of the step motor and reduces the interference to the external power supply.

step motor；micro-stepping drive circuit；freewheeling；freewheeling loop

TM383

A

康惠林（1986-），男，在讀碩士研究生，Email：kahwellean＠gmail.com動技術(shù)可以分為單極性驅(qū)動、雙極性驅(qū)動、全H橋和多相橋驅(qū)動等。

2010-07-26