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。

bujindianjideyunxingxingnengyutadequdongqiyoumiqiedelianxi

，keyitongguoqudongjishudegaijinlaikefubujindianjidequedian。xiangduiyuqitadequdongfangshi，xifenqudongfangshibujinkeyijianxiaobujindianjidebujujiao
，tigaofenbianbi，erqiehaikeyijianxiaobujindianjidebujujiao
，tigaofenbianlv，erqiehaikeyijianshaohuoxiaochudipinzhendong，shidianjiyunxinggengjiapingwenjunyun。zongtilaishuo
，xifenqudongdekongzhixiaoguozuihao。yinweichangyongdiduanbujindianjisifuxitongmeiyoubianmaqifankui，suoyisuizhedianjisududeshenggaoqineibukongzhidianliuxiangyingjianxiao
，congerzaochengdiubuxianxiang。suoyizaisuduhejingduyaoqiubugaodelingyu

，qiyingyongfeichangguangfan。

因yin為wei三san相xiang混hun合he式shi步bu進jin電dian機ji比bi二er相xiang步bu進jin電dian機ji有you更geng好hao的de低di速su平ping穩wen性xing及ji輸shu出chu力li矩ju
，所suo以yi三san相xiang混hun合he式shi步bu進jin電dian機ji比bi二er相xiang步bu進jin電dian機ji有you更geng好hao應ying用yong前qian景jing。傳chuan統tong的de三san相xiang混hun合he式shi步bu進jin電dian機ji控kong製zhi方fang法fa都dou是shi以yi硬ying件jian比bi較jiao器qi完wan成cheng
，本ben文wen主zhu要yao講jiang述shu使shi用yongDSP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

bujindianjidexifenkongzhicongbenzhishangjiangshitongguoduibujindianjidedingziraozuzhongdianliudekongzhi，shibujindianjineibudehechengcichanganmouzhongyaoqiubianhua
，congershixianbujindianjibujujiaodexifen。zuijiadexifenfangshishihengzhuanjudengbujujiaodexifen。yibanqingkuangxia，hechengcichangshiliangdefuzhijuedingledianjixuanzhuanlijudedaxiao，xianglinlianghechengcichangshiliangdezhijiandejiajiaodaxiaojuedinglebujujiaodedaxiao。zaidianjineichanshengjiejinjunyundeyuanxingxuanzhuancichang，gexiangraozudehechengcichangshiliang，jigexiangraozudianliudehechengshiliangyingzaikongjianzuofuzhihengdingdexuanzhuanyundong
，zhejiuxuyaozaigexiangraoxiangzhongtongyizhengxiandianliu。

sanxianghunheshibujindianjidegongzuoyuanlishifenleisiyuyongcitongbusifudianji。qizhuanzishangsuoyongyongcicitietongyangshijuyougaocimitexingdexituyongcicailiao，suoyizaizhuanzishangchanshengdeganyingdianliuduizhuanzicichangdeyingxiangkehulvebuji。zaijiegoushang，taxiangdangyuyizhongduojiduishudejiaoliuyongcitongbudianji。youyushurushisanxiangzhengxiandianliu
，yincichanshengdekongjiancichangchengyuanxingfenbu，erqiekeyiyongyongcishitongbudianjidejiegoumoxing（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。suoyitongchangzhixuchanshengliangxiangraozudegeidingxinhao，disanxiangraozudegeidingxinhaokeyouqitaliangxiangqiude。tongyang，zhixuyaoduixiangyingliangxiangraozudeshijidianliujinxingcaiyang，disanxiangraozudeshijidianliukegenjushiqiude。

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。

shijianzhengmingbenwensuojiangdequdongfangfaqishiyingxinghenqiang
，jibenshangkeyishiyingsuoyoudesanxianghunheshibujindianji。tebieduisanxiangraozuxingxingjiefa
，dipinshiyunxingpingwen，wuzhendang，youxiaodiyizhilezhendang、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。