中心議題：

• 步進電機的細分控製原理
• 驅動器的係統構成
• 性能指標及目前的應用情況

解決方案：

• 輸入信號采用光電隔離
• 采用IGBT為輸出級的功率電子開關
• 自動半電流鎖定
• 斷電保護功能（斷電自動相位記憶功能）

步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)是(shi)一(yi)種(zhong)開(kai)環(huan)伺(si)服(fu)運(yun)動(dong)係(xi)統(tong)執(zhi)行(xing)元(yuan)件(jian)，以(yi)脈(mai)衝(chong)方(fang)式(shi)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)，輸(shu)出(chu)角(jiao)位(wei)移(yi)。與(yu)交(jiao)流(liu)伺(si)服(fu)電(dian)機(ji)及(ji)直(zhi)流(liu)伺(si)服(fu)電(dian)機(ji)相(xiang)比(bi)，其(qi)突(tu)出(chu)優(you)點(dian)就(jiu)是(shi)價(jia)格(ge)低(di)廉(lian)，並(bing)且(qie)無(wu)積(ji)累(lei)誤(wu)差(cha)。但(dan)是(shi)，步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)運(yun)行(xing)存(cun)在(zai)許(xu)多(duo)不(bu)足(zu)之(zhi)處(chu)，如(ru)低(di)頻(pin)振(zhen)蕩(dang)
、噪聲大、分辨率不高等到
，又嚴重製約了步進電機的應用範圍。步進電機的運行性能與它的驅動的應用範圍。

步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)運(yun)行(xing)性(xing)能(neng)與(yu)它(ta)的(de)驅(qu)動(dong)器(qi)有(you)密(mi)切(qie)的(de)聯(lian)係(xi)，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)驅(qu)動(dong)技(ji)術(shu)的(de)改(gai)進(jin)來(lai)克(ke)服(fu)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)缺(que)點(dian)。相(xiang)對(dui)於(yu)其(qi)他(ta)的(de)驅(qu)動(dong)方(fang)式(shi)
，細(xi)分(fen)驅(qu)動(dong)方(fang)式(shi)不(bu)僅(jin)可(ke)以(yi)減(jian)小(xiao)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)步(bu)距(ju)角(jiao)，提(ti)高(gao)分(fen)辨(bian)庇(bi)，而(er)且(qie)還(hai)可(ke)以(yi)減(jian)小(xiao)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)步(bu)距(ju)角(jiao)
，提(ti)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)，而(er)且(qie)還(hai)可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)或(huo)消(xiao)除(chu)低(di)頻(pin)振(zhen)動(dong)，使(shi)電(dian)機(ji)運(yun)行(xing)更(geng)加(jia)平(ping)穩(wen)均(jun)勻(yun)。總(zong)體(ti)來(lai)說(shuo)，細(xi)分(fen)驅(qu)動(dong)的(de)控(kong)製(zhi)效(xiao)果(guo)最(zui)好(hao)。因(yin)為(wei)常(chang)用(yong)低(di)端(duan)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)伺(si)服(fu)係(xi)統(tong)沒(mei)有(you)編(bian)碼(ma)器(qi)反(fan)饋(kui)
，所(suo)以(yi)隨(sui)著(zhe)電(dian)機(ji)速(su)度(du)的(de)升(sheng)高(gao)其(qi)內(nei)部(bu)控(kong)製(zhi)電(dian)流(liu)相(xiang)應(ying)減(jian)小(xiao)，從(cong)而(er)造(zao)成(cheng)丟(diu)步(bu)現(xian)象(xiang)。所(suo)以(yi)在(zai)速(su)度(du)和(he)精(jing)度(du)要(yao)求(qiu)不(bu)高(gao)的(de)領(ling)域(yu)

，其(qi)應(ying)用(yong)非(fei)常(chang)廣(guang)泛(fan)。

yinweisanxianghunheshibujindianjibierxiangbujindianjiyougenghaodedisupingwenxingjishuchuliju，suoyisanxianghunheshibujindianjibierxiangbujindianjiyougenghaoyingyongqianjing。chuantongdesanxianghunheshibujindianjikongzhifangfadoushiyiyingjianbijiaoqiwancheng，benwenzhuyaojiangshushiyongDSP及空間矢量算法SVPWM來實現三相混合式步進電機的控製。

細分原理

步bu進jin電dian機ji的de細xi分fen控kong製zhi從cong本ben質zhi上shang講jiang是shi通tong過guo對dui步bu進jin電dian機ji的de定ding子zi繞rao組zu中zhong電dian流liu的de控kong製zhi
，使shi步bu進jin電dian機ji內nei部bu的de合he成cheng磁ci場chang按an某mou種zhong要yao求qiu變bian化hua
，從cong而er實shi現xian步bu進jin電dian機ji步bu距ju角jiao的de細xi分fen。最zui佳jia的de細xi分fen方fang式shi是shi恒heng轉zhuan矩ju等deng步bu距ju角jiao的de細xi分fen。一yi般ban情qing況kuang下xia，合he成cheng磁ci場chang矢shi量liang的de幅fu值zhi決jue定ding了le電dian機ji旋xuan轉zhuan力li矩ju的de大da小xiao
，相xiang鄰lin兩liang合he成cheng磁ci場chang矢shi量liang的de之zhi間jian的de夾jia角jiao大da小xiao決jue定ding了le步bu距ju角jiao的de大da小xiao。在zai電dian機ji內nei產chan生sheng接jie近jin均jun勻yun的de圓yuan形xing旋xuan轉zhuan磁ci場chang
，各ge相xiang繞rao組zu的de合he成cheng磁ci場chang矢shi量liang，即ji各ge相xiang繞rao組zu電dian流liu的de合he成cheng矢shi量liang應ying在zai空kong間jian作zuo幅fu值zhi恒heng定ding的de旋xuan轉zhuan運yun動dong，這zhe就jiu需xu要yao在zai各ge相xiang繞rao相xiang中zhong通tong以yi正zheng弦xian電dian流liu。

三(san)相(xiang)混(hun)合(he)式(shi)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)十(shi)分(fen)類(lei)似(si)於(yu)永(yong)磁(ci)同(tong)步(bu)伺(si)服(fu)電(dian)機(ji)。其(qi)轉(zhuan)子(zi)上(shang)所(suo)用(yong)永(yong)磁(ci)磁(ci)鐵(tie)同(tong)樣(yang)是(shi)具(ju)有(you)高(gao)磁(ci)密(mi)特(te)性(xing)的(de)稀(xi)土(tu)永(yong)磁(ci)材(cai)料(liao)
，所(suo)以(yi)在(zai)轉(zhuan)子(zi)上(shang)產(chan)生(sheng)的(de)感(gan)應(ying)電(dian)流(liu)對(dui)轉(zhuan)子(zi)磁(ci)場(chang)的(de)影(ying)響(xiang)可(ke)忽(hu)略(lve)不(bu)計(ji)。在(zai)結(jie)構(gou)上(shang)，它(ta)相(xiang)當(dang)於(yu)一(yi)種(zhong)多(duo)極(ji)對(dui)數(shu)的(de)交(jiao)流(liu)永(yong)磁(ci)同(tong)步(bu)電(dian)機(ji)。由(you)於(yu)輸(shu)入(ru)是(shi)三(san)相(xiang)正(zheng)弦(xian)電(dian)流(liu)
，因(yin)此(ci)產(chan)生(sheng)的(de)空(kong)間(jian)磁(ci)場(chang)呈(cheng)圓(yuan)形(xing)分(fen)布(bu)


，而(er)且(qie)可(ke)以(yi)用(yong)永(yong)磁(ci)式(shi)同(tong)步(bu)電(dian)機(ji)的(de)結(jie)構(gou)模(mo)型(xing)（見圖1）分析三相混合式步進電機的轉矩特性。為便於分析
，可做如下假設：

•電機定子三相繞組完全對稱；
•磁飽和


、渦流及鐵心損耗忽略不計；
•激磁電流無動態響應過程。


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U
、V
、W為定子上的3個線圈繞組，3個線圈繞組的軸線互差120°。電機單相繞組通電的時候，穩態轉矩可以表達為：
T=f(i，θ)
式中：i為繞組中通過的電流；
θ為電機轉子偏離參考點的角度。

由於磁飽和效應可以忽略不計，並且轉子結構是圓形
，其矩角特性為嚴格的正弦
，即
T=kIKsin(θ)
式中，k為轉矩常數。

若理想的電流源以恒幅值為I的三相平衡電流iU
、iV、iW供給電機繞組，即：
iU=Isin（ωt）
iV=Isin（ωt-2π/3）
iW=Isin（ωt+2π/3）

則電機各相電流產生的穩態轉矩為：
TU=kIsin(θ)
TV=kIsin(θ-2π/3)
TW=kIsin(θ+2π/3)

穩態運行時
，θ=ωt
，則三相繞組產生的合成轉矩為：
T=TU+TV+TW=(3/2)kIsin(π/2-ωt+θ)kI

yishangfenxibiaoming，duiyusanxiangyongcitongbudianji，dangsanxiangraozushurusanxiangduichengdezhengxiandianliushi
，youyuzaineibuchanshengyuanxingxuanzhuancichang，dianjideshuchuzhuanjuweihengzhi。yinci，jiangjiaoliusifukongzhiyuanliyingyongdaosanxianghunheshibujindianjiqudongxitongzhong，shurude220V交流，經整流後變為直流，再經脈寬調製技術變為三路階梯式正弦波形電流（見圖2），它們按固定時序分別流過三路繞組，其每個階梯對應電機轉動一步。

tongguogaibianqudongqishuchuzhengxiandianliudepinlvlaigaibiandianjizhuansu，ershuchudejietishuquedinglemeibuzhuanguodejiaodu
，dangjiaoduyuexiaodeshihou

，nameqijietishujiuyueduo，jixifenjiuyueda
，conglilunshangshuocijiaodukeyishedezugoudexiao，suoyixifenshukeyishihenda
，erjiaoliusifukongzhidemeibujiaoduyufankuidebianmaqidejingduyouhendadeguanxi，yibanshiyongdewei2500線，所以每一步轉過的角度僅為0.144°（即360/2500），而此方法控製的步進電機
，比如其細分數為10000，則每一步轉過的角度為0.036°，所suo以yi比bi一yi般ban的de伺si服fu控kong製zhi精jing度du高gao很hen多duo。當dang然ran，步bu進jin電dian機ji轉zhuan動dong時shi
，電dian機ji各ge相xiang繞rao組zu的de電dian感gan將jiang形xing成cheng一yi個ge反fan向xiang電dian動dong勢shi，頻pin率lv越yue高gao
，反fan向xiang電dian動dong勢shi越yue大da。在zai它ta的de作zuo用yong下xia，電dian機ji隨sui頻pin率lv（或速度）的de增zeng大da而er相xiang電dian流liu減jian小xiao，從cong而er導dao致zhi力li矩ju下xia降jiang
，通tong過guo恒heng流liu方fang式shi可ke以yi使shi在zai電dian機ji低di頻pin和he高gao頻pin時shi保bao持chi同tong樣yang的de相xiang電dian流liu從cong而er使shi高gao頻pin的de力li矩ju特te性xing有you所suo改gai善shan，這zhe隻zhi能neng是shi在zai低di速su時shi，所suo以yi其qi綜zong合he性xing能neng（高、低速噪聲，高速力矩，高速平穩性等）很難趕超交流伺服控製係統。


三相混合式步進電機一般把三相繞組連接成星形或者三角形
，按照電路基本定理，三相電流之和為零。即iU+iV+iW=0。所(suo)以(yi)通(tong)常(chang)隻(zhi)需(xu)產(chan)生(sheng)兩(liang)相(xiang)繞(rao)組(zu)的(de)給(gei)定(ding)信(xin)號(hao)
，第(di)三(san)相(xiang)繞(rao)組(zu)的(de)給(gei)定(ding)信(xin)號(hao)可(ke)由(you)其(qi)它(ta)兩(liang)相(xiang)求(qiu)得(de)。同(tong)樣(yang)，隻(zhi)需(xu)要(yao)對(dui)相(xiang)應(ying)兩(liang)相(xiang)繞(rao)組(zu)的(de)實(shi)際(ji)電(dian)流(liu)進(jin)行(xing)采(cai)樣(yang)，第(di)三(san)相(xiang)繞(rao)組(zu)的(de)實(shi)際(ji)電(dian)流(liu)可(ke)根(gen)據(ju)式(shi)求(qiu)得(de)。

三相混合式步進電機驅動器的係統構成

驅動器的總體方案如圖3所示，主要包括單片機電路、電流追蹤型SPWM電路和功率驅動電路組成。

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DSP模塊設計

在這裏，筆者選擇了TI公司的DSP作為CPU芯片
，DSP（DigitalSignalProcessor）實際上也是一種單片機，它同樣是將中央處理單元、控製單元和外圍設備集成到一塊芯片上。但它又有自身鮮明的特點——因為采用了多組總線技術實現並行運行的機製，從而大大提高了運算速度，具有更強的運算能力和更好的實時性。本文選用的DSP（TMS320LF2407A）是一款電機控製專用芯片

，144引腳，具有豐富的IO資源，含有4個通用定時器，具有兩路專用於控製三相電機的PWM發生器（可產生六路PWM信號）
，另外還有專用接收外部脈衝和方向的I/O口
，從而簡化了電路設計和程序開發。

DSP輸入信號包括步進脈衝信號CP、方向控製信號
、脫機信號，過流保護信號。這幾種信號均通過高速光耦連接到DSP的引腳上
，另外還有細分步數及電流選擇信號。當脫機信號為有效時，驅動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉子處於自由狀態（脫機狀態）。反饋電流通過DSP自帶的10位模數轉換器（AD）采樣

，反饋的電流通過一定的算法後
，由DSP自帶的PWM口輸出控製電機。

電流追蹤型回路

這種傳輸方式以模擬電壓的幅值代表采樣電流或者電壓的大小，其主要用來采樣a，b兩相電流及母線電壓檢測，實現電機電流控製以及過壓、欠壓、過(guo)流(liu)保(bao)護(hu)。驅(qu)動(dong)器(qi)通(tong)過(guo)采(cai)樣(yang)電(dian)阻(zu)檢(jian)測(ce)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)繞(rao)組(zu)的(de)實(shi)際(ji)電(dian)流(liu)，與(yu)設(she)定(ding)電(dian)流(liu)相(xiang)比(bi)較(jiao)後(hou)經(jing)過(guo)滯(zhi)環(huan)比(bi)較(jiao)器(qi)調(tiao)節(jie)器(qi)，調(tiao)節(jie)器(qi)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)經(jing)過(guo)滯(zhi)環(huan)比(bi)較(jiao)器(qi)調(tiao)節(jie)器(qi)
，調(tiao)節(jie)器(qi)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)由(you)20kHz頻率的三角波輸出，形成空間矢量脈寬調製信號（SVPWM）
，tongguogonglvqudongjiekoudianlulaikongzhidagonglvbandaotiqijiandedaotongyuguanduan，shibujindianjideraozushijidianliugenzonggeidingcankaoxinhao，angeidingdezhengxianguilvbianhua。

功率驅動電路

驅動器的主回路采用交—直—交電壓型逆變器形式，由整流濾波電路、三相逆變器以及步進電機等組成。整流濾波電路構成直流電壓源，完成200V
、50Hz交jiao流liu電dian源yuan到dao直zhi流liu電dian源yuan的de變bian換huan。逆ni變bian器qi實shi現xian從cong直zhi流liu電dian到dao變bian頻pin變bian壓ya交jiao流liu電dian的de轉zhuan換huan，為wei三san相xiang混hun合he式shi步bu進jin電dian機ji的de定ding子zi繞rao組zu提ti供gong要yao求qiu的de交jiao流liu電dian流liu。逆ni變bian器qi由you仙xian童tong公gong司si生sheng產chan的de六liu隻zhiG30N60B3DMOS管組成
，構成三相逆變橋
，驅動器采用兩隻電阻檢測步進電機相電流的瞬時值。功率驅動電路的核心是功率模塊（MOS管），MOS管與電流追蹤型PWM輸出之間必須通過專用高速光耦連接，根據MOS管的過流值和電機峰值線電流的峰值小於MOS管的最大電流值。

本設計中電機最大相電流為8.1A，該電流是相電流的有效值，峰值相電流為11.312A(即8.1sqrt（2）)。此外，電機繞組在三角形接法時，線電流是相電流的三倍，所以線電流峰值為19.6A。由G30N60B3DPDF文檔知，其最大流值為30A，故可以保證正常使用。正常工作要求適當的散熱設計保證內部結溫永遠小於150℃，因此要外加散熱器並強製風冷
，以保證MOS管正常工作。

並口通訊

為了避免在控製過程中停電或者其它特別原因掉電時造成損失，使用帶電RAM存儲電機位置，保證來電後工件可繼續完成加。並口RAM比傳統使用的E2PROM速度傳輸更快更可靠，可更有效的記錄電機運行狀態
，但占用的I/O口較多，這裏CPU有足夠的資源可以使用。
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控製軟件流程




圖4示出主程序流程圖，圖5示出定時中斷流程圖。為減少功耗和保護電機，設置了自動半電流功能（靜態鎖軸或沒有脈衝輸入時電流減半），它由滯環比較器自動進行調節。

性能指標及目前的應用情況

設計後所達到的性能指標：
•輸入交流電壓可為90V~275V；
•輸入信號采用光電隔離；
•采用IGBT為輸出級的功率電子開關；
•SVPWM（正弦空間矢量脈寬調製），三相恒流標準正弦波輸出，三角載波頻率為20kHz；
•自動半電流鎖定；
•斷電保護功能（斷電自動相位記憶功能）
；
•電流控製靈活可選（2.0A~8.1A），適配86、90、110、130座號的三相各係列電機

；
•脫機（FREE）功能
；
•噪音低

、發熱量小、效率高、運行特性良好
；
•本驅動器為單脈衝（P+D）控製模式；
•目前所做的最大細分數為16000p/r
，最小為600p/r
，主要由用戶而定
，可以做得更小也可以做得更大。

實shi踐jian證zheng明ming本ben文wen所suo講jiang的de驅qu動dong方fang法fa其qi適shi應ying性xing很hen強qiang
，基ji本ben上shang可ke以yi適shi應ying所suo有you的de三san相xiang混hun合he式shi步bu進jin電dian機ji。特te別bie對dui三san相xiang繞rao組zu星xing形xing接jie法fa，低di頻pin時shi運yun行xing平ping穩wen
，無wu振zhen蕩dang，有you效xiao地di抑yi製zhi了le振zhen蕩dang
、噪音。另外，驅動器內部設計多種保護電路，使整個驅動器的可靠性大大提高。