删 理论与设计 步进 电机细 分控 制的PW M实现 杨 晓 沸 上海 交 通 大学 (201100) Realization of PW M M icro-step Control to Step M otors 馏 Xiaofei Shanghai JiaoTong University 摘 要 ：步进 电机 是受 走步脉 冲信号控 制的伺 服 元 辨 率 ，本 文 着重 介 绍步 进 电机 的细 分驱 动原 理和 件 ，通 过改变 脉冲 频率可 以在 很大 的范 围内调节 电机 的 实现 方 式 。 转速 ，并可以实现快速起 动 、制动 、反转等 ，并且在不丢步 的情 况下其步距误 差不会 长期积 累，很适合 于数 字控制 系统 ，但由于受制造 工艺和成本 的限制 ，其步 矩角不可能 非常小，文 中详细分析了其原理 、硬件实现 、软件编辑等， 论述了如何从软件控制方法上来提高步矩 角的分辨率。 关键词：细分驱动 矩 角特性 步距电角 分辨率 步 进 电机 的 细 分 控 制方 法 是 通 过 控 制 各相 绕 组中的电流分配 ，使 其按一定的规律阶梯上升 或下降，从而 获得从o~_tJ最大相电流之 间的多个 稳 定 的中间 电流 状 态 。相应 地 ，定 子磁 场 也 就 存 在 多个中间状态 ，这样各相的合成磁场也将有多 Abstract：The step motor is a kind of servo element 个稳定的中间状态 ，相邻两个合成磁场矢量的夹 which is controlled by the stepping pulse signa1．The speed 角决定了微步距的大小，转子沿着这些 中间状态 regulation of the motor in a wide range can be carried on by 以微步 距转 动 。 means of variation of the pulse frequency as well as speedy start，brake and reserve rotation and SO on．Furtherm ore， the tolerance of its pitch will not be accumulated under the 在介绍步进 电机细分驱动实现方法之前，先 了解—下步进 电机 工作时的静态矩角特性 ：转子 condition ofno failing out step，becoming a system suitable to 静止时反应式步进电机一相绕组通电电流产生的 the digital contro1．However,the pitch angle can not be very 电磁转矩与转子偏离平衡位置的角度 (称为失调 small due to the limitation of productive workmanship and cost．The principle，hardware layout and software edit of it has been put forward as well as how to increase the resolution ratio ofthe pitch angle by means ofthe software contro1． 角)的关系称为静态矩角特性，即 m=．kti sin0 (1) 式 (1)中负号 表 示 电磁转 矩 总 是阻 碍转 子 离 Kcywords：M icro-step drive Feature ofpitch angle 开定子磁场最小磁阻位置，电磁转矩与绕组电流 Resolution ratio 步进 电机是将 电脉 冲信号转 变为角位移的 n 0 f的平方成正比说明反应式 步进 电机 的电磁转矩 与电流方向无关，系数k 与定、转子齿数 ，气隙磁 导，步进电机的轴向长度和绕组匝数有关 ，图1为 控 制 电 机 ，因 为 步 矩 角 6}步矩= ，(k 为 步 三 相三 拍 步进 电机 的 矩 角特 性 。 进 电机的拍数 ，zR为齿数 )。由于转子的齿数和 当步进 电机 由一相通电状态转 移到下一相 定子的相数是有限的，因此步进 电机的步矩角不 通电状 态时，矩角特 性也由曲线1(A相 )变为曲 可能非常小 ，一般为几分到几十度 ，并且步进 电 线2(B相 )如图1所示，两条曲线的相位差等于步 机在低频运行时振荡严重 。而且有较大噪音。为 矩电角 。(步 矩角乘以转 子齿数 )，假设矩角特 了改善步进电机的运行品质，并提高步矩角的分 性 1的P1点 为 稳 定 点 ，当 导通 状 态 使 得 矩 角 特 性 《电帆 技 术》 2008年 第 5期．15． 

理论与设计 ‘ 转移至 曲线2时，电磁转 矩 2大于负载转矩 步 角的 分辨 率 的。 进电机 ，能够继续起动 ，电机转子转动一步矩角 如果要按 等步距 角细分，则由上述 电机 各相 后，达到 电磁转矩和负载的重新平衡点P3，由图 通 电状 态 下 的矩 角特 性 曲线可知 ，必 须满 足 各相 也 知 两条 曲线 交 点 对 应 的 转 矩 为 最 大 起 动 转 矩 矩 角特 性 曲线 幅值 、相位 差 、形状 都相 同 ，如 图4 ，因为如果负载转矩 大于 ，那么矩 角特性 l 所 示。 的P2点为稳定点。当导通状态使得矩 角特性转移 至曲线2时，电磁转矩 l，J、于负载转矩 ，步进 电 机 就 不能 起 动。 ‘ | 0 ． ． Ⅱ o＼X X ／ 图 1 多相绕 组 步进 电机 的矩 角特 性 从 以 上 的 分 析 可 知 ，要 使 电 机 的 各 相 绕 组 通 电转 过一正 确 的步 矩 角，其 多相 绕 组 的矩 角特 性 曲线 的 相 邻 两 相 的相 位 差 必 须 等 于 步 矩 电 角 0b。。步 进 电机 细 分控 制 关 键 在 于按 照什 么 样 的 细 分 电流 波 形 来 控 制 步 进 电 机 各 相绕 组 中 的 电 流 ，一 般有 两 种实 现 原理 。 使 电流按 线 性 规 律变化 ，即把 步进 电机 各相 最大电流值进行M等分，这种方法其示意图如图 2，其矩角特性 曲线 图如图3，可以看出各相通 电 状态 的矩 角特性幅 值不等．步矩 角也不均 匀等 分 ，当 通 电状 态 发 生 变 化 时 ，各细 分微 步 的步 矩 角是不 能 保持 均 匀 的 。因此 ．这种 驱 动 方 式 只是 为了提 高 其运 行 性 能 而 不 是 主要 用 来 提 高步 矩 — ：． — — ． — — ． u ． J AB J B } BC j C I CA I A f 图2 步进 电机 电流等 分 细 分波 形 B 一 O 图3 电流线 性 等 分细 分 矩 角特 性 · 16·2008年 第 5期 《电 机 技术》 图 4 理 想 的 细 分 矩 角 特 性 由于 =一k i sin0，两相绕组导通时矩角特 性根据 矢量合成 ，即三角函数代数 和。因为细分 后的步矩 电角 eM ，细分后的第足微步矩电 角 时A相和 B相 的 电流 分 配 系数 为kA和 七B，则矢 量合成的电磁转矩 ： 成=一kt(kgf) sin0一kt(kBi) sin(0+0b。)，使其与A、B相单独导通 时电磁转 矩一 样 ，则 ： 成：-kti sin(O+kObeM) 即kA sin0+kB2sin(O+Obe)=sin(O+kObeM) 其 中：(k=0，1．-·M ) (2) 由于式 (2)对于所有 静态稳定区内的失调角 都满足，因此可以得到 电流分 配系数kA和kB分 别为 ： r fsin(M—k)ObeM 厂 l， f sin(kObeM) B=J— 瓦一 (3) 也 可 以通过作 图的方 式 来解 答，如 图5。 图5 电流分 配 系数 的 作图解 答 下面介绍基于上述原理 的硬件实现方法，一 般 采用DSP芯片PWMISI来实现 ，譬如实现二相四 拍 的8细 分 ，其 实现 原 理 框图如 图6。 (下转 第23页 ) 

矗 奄 ‘ 现代 驱动 与控 制 管将电压值控制在0．7V左右，使得放大器仅放大 动势能够无衰减的得到检 测，增强了抗噪性能 ， 反电动势过零点附近 的值 ，放大器输出经过限流 使电机的速度范围得到提高。 电阻 直接 接 至MCIA、MCIB、MCIC输 入端 进 行 在低速 或低 电压运用的情况下，采用补偿放 反 电动势过零检测 ，仍 然采用PW M关断阶段对 比较器输出进行采样的检测方法。 大的方法，能弥补续流二极管管压降在断电相绕 组端 电位上造成的损失 ，使反电动势过零点得到 纠正 ，检测范围增大 ，从而较大的提高了无刷直 5 结 论 流电机 的速 度 和应 用范 围 。 虚拟中性点法能够检测到反电动势过零点， 但其采用廉 价的电阻和电容进行分压滤波 ，在反 电动势较小的情况下，由于分压滤波 电路的衰减 作用 ，使 得反 电动势 的过 零点很 难 检 测 。 采用PW M关 断 阶段 的反 电动 势 过 零点 检 测 法 ，结合ST7MC内部特 有的反电动势过零 检测 单元结构，只需三个限流电阻便可完成过零检测 参 考 文 献 1张 琛 直 流 无 刷 电动 机 原 理 及 应 用 [M】．机 械 工 业 出 版 社 ， l996． 2 孟 德 昀 ，胡 海云 ．谢宝 昌．无位 置传感 器 无 刷 直流 电机驱 动 设 汁 微 特 电机 ．2003．1 3 岳 鹏 ．孙 佩 石 ．基 于 PIC16F877的 无位 置 传 感 器无 刷 直 流 电机 控 制 系统 ．微 处 理 机 ．2005．8． 4 韦 敏 ，宁 方 立 ．基 于 专 用集 成 芯 片 的无 刷 直 流 电机 控制 器 ．机 械 与 电子 2005．3． 5 王 辉 ，杨 海 ，张 建 生 ．无 刷 直 流 电 机 无传 感 器反 向电 动势 过 的硬件架构，相比虚拟 中性点方法 ，降低了硬件 零 检 测 及校 正 ．长 春工 业 大学 学 报 ，2006．27(1)． 成 本 ，由于 省去了模 拟 分压 和 滤 波器 ，使 得 反 电 (收稿 日期 ：2008．06．11) ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ ◆ ◇ (上接 第l6页 ) 1． 釜H 羔篓二l 图6 PWM实 现细 分 驱动 原 理框 图 制程序也是很容易实现 的，只要根据式 (3)算出 电流 分 配 系数 ，然 后 在换 算 到 电压 占空 比就可 以 实现 。其 程 序流 程 图 ，如图 8。 其 中8路PW M输 出被 放 大 后分 别 用于驱 动 8 个 MO s管 ，其 中Z．／N相 步 进 电机 A、 被 接 在 一 路 ，如 图7。 }PwM周期中断，现场保存} l l根据K值进行查表，得到占空比I J l K+1--~K，K≥97 l I 否 I进行AB，百五，五百，百A顺序换相，l(=o ● I PwM周期中断返回 图 8 程 序流 程 图 图7 A、A相的 电路 接 法 本 文 论 述 了步 进 电机 细 分 驱 动 的 原 理 以 及 图 7中A、B之 间接 入A、 相 导 线 ，当Ql、Q4 高电平，Q2、Q3低电平时为A相电流 ，当Q1、Q4低 电平，Q2、Q3高电平时为 相电流；同样 、否相电 其 硬 件 实 现 和 软件 编 程 ，该 方 法 简单 易行 ，不 仅 降 低 了步 进 电机 低频 运 行 时 的振 荡 和噪 音，而 且 实现了步矩 角分辨率真正意义上的提高。 流 的接 法与此 相 同。电流的细 分 是 通 过 加在 电机 参 考 文 献 上的电压细分实现的，而电压的细分是通过脉宽 1 许 大中，厚益 康 ．电机 控 制 ．浙 江大 学 出版社 ，2002． 调制 ，即设 定一定的 占空 比实现 的 。 2 李 仁定 ．电机 的微 机 控 制．机 械 工 业 出版社 ，2001． 3 张 雄伟 ．DSP芯 片的原 理 及开 发 应用 ．电子工 业 出版社 ，2003． 针对上面的硬件实现方式 ，其DSP芯片的控 (收稿 日期 ：2007．12．O1) 《电机技 术》 2OO8年第 5期 ·23·