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

以yi上shang分fen析xi表biao明ming，對dui於yu三san相xiang永yong磁ci同tong步bu電dian機ji，當dang三san相xiang繞rao組zu輸shu入ru三san相xiang對dui稱cheng的de正zheng弦xian電dian流liu時shi
，由you於yu在zai內nei部bu產chan生sheng圓yuan形xing旋xuan轉zhuan磁ci場chang
，電dian機ji的de輸shu出chu轉zhuan矩ju為wei恒heng值zhi。因yin此ci
，將jiang交jiao流liu伺si服fu控kong製zhi原yuan理li應ying用yong到dao三san相xiang混hun合he式shi步bu進jin電dian機ji驅qu動dong係xi統tong中zhong

，輸shu入ru的de220V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。

通tong過guo改gai變bian驅qu動dong器qi輸shu出chu正zheng弦xian電dian流liu的de頻pin率lv來lai改gai變bian電dian機ji轉zhuan速su，而er輸shu出chu的de階jie梯ti數shu確que定ding了le每mei步bu轉zhuan過guo的de角jiao度du，當dang角jiao度du越yue小xiao的de時shi候hou，那na麼me其qi階jie梯ti數shu就jiu越yue多duo，即ji細xi分fen就jiu越yue大da
，從cong理li論lun上shang說shuo此ci角jiao度du可ke以yi設she得de足zu夠gou的de小xiao，所suo以yi細xi分fen數shu可ke以yi是shi很hen大da

，而er交jiao流liu伺si服fu控kong製zhi的de每mei步bu角jiao度du與yu反fan饋kui的de編bian碼ma器qi的de精jing度du有you很hen大da的de關guan係xi，一yi般ban使shi用yong的de為wei2500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°
，suoyibiyibandesifukongzhijingdugaohenduo。dangran，bujindianjizhuandongshi
，dianjigexiangraozudedianganjiangxingchengyigefanxiangdiandongshi，pinlvyuegao
，fanxiangdiandongshiyueda。zaitadezuoyongxia，dianjisuipinlv（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you20kHz頻率的三角波輸出，形成空間矢量脈寬調製信號（SVPWM）
，通(tong)過(guo)功(gong)率(lv)驅(qu)動(dong)接(jie)口(kou)電(dian)路(lu)來(lai)控(kong)製(zhi)大(da)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)的(de)導(dao)通(tong)與(yu)關(guan)斷(duan)

，使(shi)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)繞(rao)組(zu)實(shi)際(ji)電(dian)流(liu)跟(gen)蹤(zong)給(gei)定(ding)參(can)考(kao)信(xin)號(hao)，按(an)給(gei)定(ding)的(de)正(zheng)弦(xian)規(gui)律(lv)變(bian)化(hua)。

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(zhi)G30N60B3DMOS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。