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）

bujindianjishiyizhongkaihuansifuyundongxitongzhixingyuanjian，yimaichongfangshijinxingkongzhi

，shuchujiaoweiyi。yujiaoliusifudianjijizhiliusifudianjixiangbi，qituchuyoudianjiushijiagedilian，bingqiewujileiwucha。danshi，bujindianjiyunxingcunzaixuduobuzuzhichu
，rudipinzhendang、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

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(wei)2500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(you)20kHz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、50Hzjiaoliudianyuandaozhiliudianyuandebianhuan。nibianqishixiancongzhiliudiandaobianpinbianyajiaoliudiandezhuanhuan

，weisanxianghunheshibujindianjidedingziraozutigongyaoqiudejiaoliudianliu。nibianqiyouxiantonggongsishengchandeliuzhiG30N60B3DMOS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。