【正文】 章 緒 論 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)或階躍電機(jī)，它是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電機(jī)。它可以看作是一種特殊運(yùn)行方式的同步電動(dòng)機(jī)，由專用電源供給電脈沖，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就移動(dòng)一步。這種電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式與普通迅速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)有一定的差別，它是步進(jìn)式運(yùn)動(dòng)的，所以稱步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。又因其繞組上所加的電源式脈沖電壓，有時(shí)也稱它為脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)受脈沖信號(hào)控制，它的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比，所以電機(jī)的線速度或轉(zhuǎn)速也與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低就可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。所以，電機(jī)步距角和轉(zhuǎn)速大小都不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件如溫度、氣壓、沖擊和振動(dòng)等影響。它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。這些特點(diǎn)使它廣泛使用十?dāng)?shù)字控制的開環(huán)系統(tǒng)中，并使整個(gè)系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化又運(yùn)行可靠。 步進(jìn)電機(jī)有多種不同的結(jié)構(gòu)，主要類型可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)。近 20 多年來，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和電機(jī)結(jié)構(gòu)都得到了很大的發(fā)展，逐漸形成以混合式及反應(yīng)式為主的產(chǎn)品格局?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)是在同步電動(dòng)機(jī)或者說是在永磁感應(yīng)子式同步電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其綜合了該兩類步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，因此性能更好。 國(guó)外步進(jìn)電機(jī)研究較早，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究成果也很多，如今正在研究開發(fā)以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高性能伺服系統(tǒng)。我國(guó)步進(jìn)電機(jī)的研究及制造始十上世紀(jì) 50 年代后期，對(duì)步進(jìn)電機(jī)精確模型也做了大量研究工作，如今，各種步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品被廣泛利用。 2 步進(jìn)電機(jī)特怔步進(jìn)電機(jī)具有自身的特點(diǎn)，歸納起來有：以 5 相步進(jìn)電機(jī)為例，其定位基本單位(分辨率或稱步距角)為 176。(整步)/176。（半步)，是非常小的，停止定位精度誤差皆在每步 3～5%以內(nèi)，且無累積誤差，故可達(dá)到高精度的定位控制。步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖信號(hào)時(shí)，可以依輸入的脈沖數(shù)量做固定角度的旋轉(zhuǎn)而得到靈活的角度控制(位置控制)。因?yàn)樗俣群洼斎朊}沖的頻率成正比，運(yùn)轉(zhuǎn)速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。 因?yàn)椴骄嗾`差不長(zhǎng)期累積，可以不需要速度傳感器以及位置傳感器，就能以輸入的脈沖數(shù)量和頻率構(gòu)成具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)。 不使用電刷，電機(jī)的壽命長(zhǎng)，僅取決于軸承的壽命。 永磁式、混合式步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下(無脈沖信號(hào)輸入時(shí))，仍具有勵(lì)磁保持力矩，故即使不靠機(jī)械式的剎車，也能做到停止位置的保持。 步進(jìn)電機(jī)在中低速時(shí)具有較大的轉(zhuǎn)矩，能夠較同級(jí)伺服電機(jī)提供更大的扭力輸出。同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)也有自己的一些缺點(diǎn):（1）步進(jìn)電機(jī)帶慣性負(fù)載的能力較差。 （2）不能直接使用普通的交直流電驅(qū)動(dòng)，而必須使用專用設(shè)備—步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。 （3）輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 （4）從應(yīng)用的角度來看，嚴(yán)重制約步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)問題是失步和振蕩。由于步進(jìn)電機(jī)在大多數(shù)情況下采用開環(huán)運(yùn)行的方式，它的主要運(yùn)行性能完全依賴于驅(qū)動(dòng)器、負(fù)載和電機(jī)本身。有多種情況會(huì)產(chǎn)生失步，比如起動(dòng)或停止頻率超過突 3 跳頻率，電機(jī)高速運(yùn)行的脈沖頻率超過了最大運(yùn)行頻率，所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，共振等。通過改善驅(qū)動(dòng)器的性能，可以減小運(yùn)行中失步的可能。步進(jìn)電機(jī)的低頻振蕩是另一個(gè)需要解決的問題。步進(jìn)電機(jī)在極低頻率下做連續(xù)步進(jìn)運(yùn)行，即每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。如果阻尼較小，這種運(yùn)動(dòng)是一個(gè)衰減的振蕩過程，轉(zhuǎn)子是按自由振蕩頻率振蕩幾次才衰減到新的平衡位置而停止下來。每來一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子都從新的轉(zhuǎn)矩曲線的躍變中獲得一次能量的補(bǔ)充，這種能量越大，振蕩越厲害。當(dāng)脈沖頻率等于或者接近于電機(jī)的自由振蕩頻率時(shí)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的振動(dòng)，甚至失步導(dǎo)致無法工作，這就是步進(jìn)電機(jī)的低頻共振現(xiàn)象。一般不允許在共振頻率下運(yùn)行，從驅(qū)動(dòng)器的方面來看，使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以有效的克服低頻共振的危害。 步進(jìn)電機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)雖然步進(jìn)電機(jī)是一種數(shù)控元件，一般數(shù)字電路的信號(hào)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須有一個(gè)與之匹配的驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)本體和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路兩者密不可分地組成步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源同步進(jìn)電機(jī)本身是一個(gè)整體，其性能好壞直接影響步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。多年來，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)尤其是其中的驅(qū)動(dòng)電路部分也不斷地發(fā)展，國(guó)內(nèi)外圍繞步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路做了大量的研究與開發(fā)。 國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)主要從以下兩個(gè)方面對(duì)其發(fā)展及國(guó)內(nèi)研制概況進(jìn)行論述： 驅(qū)動(dòng)電源性能的好壞及可靠性，在很大程度上與末級(jí)功放所用的功率元件直接相關(guān)。最初使用的末級(jí)功放兀件是可控硅?？煽毓枋且环N脈沖觸發(fā)的開關(guān)器件，它突出的優(yōu)點(diǎn)是輸入功率小、輸出功率大、耐壓高、成本較低。在七十年代由十國(guó)內(nèi)大功率高低壓晶體管較少，所以用可控硅為功率器件的驅(qū)動(dòng)器曾一度占據(jù)主 4 流?？煽毓桦m然觸發(fā)簡(jiǎn)單，但關(guān)斷困難，容易形成誤觸發(fā)，可靠性差，抗干擾能不好。近年來隨著大功率晶體管的發(fā)展一般不再采用。具有控制方便、開關(guān)速度快以及元件損耗小等優(yōu)點(diǎn)，并目_由十采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)，晶體管的開關(guān)特性和耐壓過流能力有了相當(dāng)大的改進(jìn)，因此近幾年國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)的驅(qū)動(dòng)電源使用晶體二極管作為末級(jí)功放元件。進(jìn)年來，V 形槽金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(VMOSFET)綜合了大功率雙極晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)點(diǎn)，具有大功率、耐高壓、高增益的特點(diǎn)，因而可大大提高驅(qū)動(dòng)電源的可靠性。隨著成本的降低及使用經(jīng)驗(yàn)的積累，越來越多的驅(qū)動(dòng)電源將會(huì)使用 MOSFET 作為末級(jí)功放元件。 不同形式的功率放大電路對(duì)電機(jī)性能的影響各不相同，這種不同形式的功率放大電路的差別主要是功率放大電路中不同的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)。單電壓的驅(qū)動(dòng)電路在二十世紀(jì)六十年代初國(guó)外就已大量使用，它的主要特點(diǎn)是線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低，電機(jī)的高頻特性好。缺點(diǎn)是功耗較大，因?yàn)樗话阌檬」β驶騿?dòng)、運(yùn)行頻率要求不高的場(chǎng)合。高低壓驅(qū)動(dòng)電路在六十年代末出現(xiàn)，是隨著對(duì)步進(jìn)電機(jī)要求大功率驅(qū)動(dòng)和高頻工作出現(xiàn)的。它的特點(diǎn)是改善了電流波形，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性很好，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率得到很大的提高。但由十電機(jī)旋轉(zhuǎn)反電勢(shì)和互感等因素的影響，易使電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機(jī)的輸出力矩有所下降。為了彌補(bǔ)高、低壓驅(qū)動(dòng)電路的高、低壓電流波形在連接處為凹形的缺陷，提高輸出轉(zhuǎn)矩，七十年代中期研制出斬波電路，該電路由十采用斬波技術(shù)，使繞組電流在額定值上下成鋸齒波形波動(dòng)，電流繞組的有效電流相應(yīng)的增加，故電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，能基本上保持恒定。整個(gè)系統(tǒng)的功耗非常小，電源效率較高，因恒流斬波電路應(yīng)用相當(dāng)廣泛。細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路在七十年代中期由美國(guó)學(xué)者首次提出，它通過控制電動(dòng)機(jī)各相繞組中電流的大小和比例，使步距角減小到原來的幾分之一至幾十分之一。細(xì)分驅(qū)動(dòng)能極大地改善步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除振蕩。近 5 幾年來，由十微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，細(xì)分電路獲得了廣泛應(yīng)用。 國(guó)外發(fā)展趨勢(shì)國(guó)外對(duì)步進(jìn)電機(jī)的研究一直很活躍。目前，國(guó)外對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)的一個(gè)重要發(fā)展方向是大量采用專用芯片，結(jié)果是大大縮小驅(qū)動(dòng)器的體積，明顯提高了整機(jī)的性能。比較典型的芯片有兩類:一類芯片的核心是用硬件和微程序來保證步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)合理的加減速過程，同時(shí)完成計(jì)步、正反轉(zhuǎn)等。對(duì)十開環(huán)使用的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)合理的加減速過程便可使其達(dá)到較高的運(yùn)行頻率后仍不失步或過沖。另一類芯片的核心是實(shí)現(xiàn)細(xì)分技術(shù)，內(nèi)部集成 PWM 斬波控制和函數(shù)型雙極驅(qū)動(dòng)電路細(xì)分控制功能。目前由十集成芯片受到耐壓、電流容量的限制，一般只能用十小功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 近年來，國(guó)外許多廠商相繼推出了多種步進(jìn)電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)芯片和多種不同功率等級(jí)的功率模塊，僅由幾個(gè)專用芯片和一個(gè)功率模塊便可構(gòu)成一個(gè)功率齊全、性能優(yōu)異的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。 總言之，國(guó)外所采用的集成技術(shù)到微電子技術(shù)、集成電路加工技術(shù)、電力電子技術(shù)的前沿。 主要研究?jī)?nèi)容目前國(guó)內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一般都采用高低壓驅(qū)動(dòng)方式或者調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)方式，這些驅(qū)動(dòng)電路僅可實(shí)現(xiàn)基本步距的運(yùn)行，可靠性不高，還存在運(yùn)行速度低、缺乏保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)效率低和發(fā)熱損耗大等缺點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集成化的驅(qū)動(dòng)電路。我國(guó)現(xiàn)有應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī) IC 芯片主要依賴進(jìn)口，而且，其中許多步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片僅提供整步和半步控制，大大約束了步進(jìn)電機(jī)性能的進(jìn)一步提高。與這類驅(qū)動(dòng)方式相比，細(xì)分驅(qū)動(dòng)可使步進(jìn)電機(jī)獲得更小的步距角、更高的分辨率，因此，細(xì)分驅(qū)動(dòng)有更佳的控制效果。本課題的研究主要針對(duì)常用的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，皆在進(jìn)行使步進(jìn)電機(jī)優(yōu)化運(yùn)行的控制驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)。 6 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)是一種十分流行的步進(jìn)電機(jī)，它即具有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的高分辨率，每轉(zhuǎn)步數(shù)比較多的特點(diǎn)。又具有永磁式步進(jìn)電機(jī)的高效率，繞組電感比較小的特點(diǎn)，所以應(yīng)用十分廣泛。 本課題的主要工作是設(shè)計(jì)一款步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制驅(qū)動(dòng)芯片，芯片內(nèi)部的 PWM控制回路和 3 位非線性 DAC 可控制電機(jī)繞組電流工作在全步、半步、1/4 步和 1/8步(微步距)模式下。微步可提供更小的步距角，同時(shí)可減小在步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩變化和共振問題。 該芯片具備以下特點(diǎn): 1．士 連續(xù)輸出電流 2．36V 最大輸出電壓 3．內(nèi)部 PWM 電流控制 4．3 位非線性數(shù)模轉(zhuǎn)換器 5．快、混合和慢電流衰減模式 6．內(nèi)部的續(xù)流二極管7．內(nèi)部過熱關(guān)斷和欠壓保護(hù)電路 7 第 2 章 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)混合式步進(jìn)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)主要由定子、轉(zhuǎn)子和機(jī)殼構(gòu)成。定子結(jié)構(gòu)包括定子磁極，繞組線圈和絕緣材料組成。定子上有多個(gè)磁極，每個(gè)磁極上繞有勵(lì)磁線圈，磁極末端有均勻的小齒。相對(duì)兩個(gè)磁極的勵(lì)磁繞組串聯(lián)在一起構(gòu)成一相的控制繞組，通電時(shí)，這兩個(gè)磁極的極性是相同的。按相數(shù)的多少分為不同結(jié)構(gòu)的混合式步進(jìn)電機(jī)，常見的是 2 相、3 相和 5 相混合式步進(jìn)電機(jī)。轉(zhuǎn)子由環(huán)形永磁體及兩段鐵心組成，環(huán)形永磁體在轉(zhuǎn)子的中部，軸向充磁，使轉(zhuǎn)子一端極化為南磁極，另一端極化為北磁極。兩段鐵心分別裝在永磁體的兩端，轉(zhuǎn)子鐵心上有小齒，兩段鐵心上的小齒相互錯(cuò)開半個(gè)齒距。通常三相步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子有 50 齒，兩段鐵心上的小齒相互錯(cuò)開半個(gè)齒距，即錯(cuò)開 ，定轉(zhuǎn)子小齒的齒距通常相同。? 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)的工作原理就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。在一般的步進(jìn)電機(jī)工作中，其電源都是采用單極性的直流電源。要是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，就必須對(duì)步進(jìn)電機(jī)定子的各繞組已相當(dāng)?shù)氖菚r(shí)序進(jìn)行通電。步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)過程可以用圖 21 來說明。該步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)四相感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其定子的每一相都有一個(gè)電極，每個(gè)電極都只有一個(gè)齒，即磁極本身，故四相步進(jìn)電機(jī)共有四對(duì)磁極共 8 個(gè)齒；其轉(zhuǎn)子有 6 個(gè)齒，分別為稱為 0、5 齒。直流電源 V 通過開關(guān) Sa、Sb、Sc、Sd 分別對(duì)A、B、C、D 相繞組輪流通電。 8 開始時(shí)，開關(guān) Sb 接通電源，Sa、Sc、Sd 斷開，B 相磁極和轉(zhuǎn)子 0、3 號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的 4 號(hào)齒就和 C、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，5 號(hào)齒就和D、A 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開關(guān) Sc 接通電源，Sb、Sa、Sd 斷開時(shí)，由于 C 相繞組的磁力線和 4 號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，4 號(hào)齒和 C 相繞組的磁極對(duì)齊。而 0、3號(hào)齒和 A、B 相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，5 號(hào)齒就和 A、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A、B、C、D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著 A、B、C、D 方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果對(duì)一相繞組通電的操作稱為一拍，那么對(duì) A、B、C、D 四相繞組通電需要四拍。對(duì) A、B、C、D 四相繞組輪流通電一次稱為一個(gè)周期。從上面分析看出，該四相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距，需要四拍操作。由于按 A→B→C→D→A 相輪流通電，則磁場(chǎng)沿 A、B、C、D 方向轉(zhuǎn)動(dòng)了 360176?？臻g角，而這時(shí)沿 ABCD 方向轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)齒距的位置。在圖 21 中，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為 6，故齒距角為 60176。對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，如果它的轉(zhuǎn)子數(shù)為 Z，它的齒距角 ，如公式 21 所示。? = = （式 2?Z?2?301）而步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行 N 拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距位置。實(shí)際上，步進(jìn)電機(jī)每一拍就執(zhí)行一次步進(jìn)，所以步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角 θ 的計(jì)算方法如式 22 所示。 = = （式 2??Z?3602） 9 圖 21 步進(jìn)電機(jī)工作原理圖 步進(jìn)電機(jī)的控制方法 脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）的基本原理在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，效果基本相同。沖量是指窄脈沖的面積，如圖 22 所示。這里所說的效果基本相同，指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如把各輸出波形用傅氏變換分析，則其低頻段的特性非常接近，僅在高頻段略有差異，這是 PWM 控制的重要理論基礎(chǔ)。步進(jìn)電機(jī)的相繞組是明顯的慣性環(huán)節(jié)，因此可以用 PWM 技術(shù)來控制電機(jī)繞組的電流大小。 10 （a）