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步进电机微步驱动电路基本结构


  在传统的步进电机开环驱动方式中,仅对相绕组电流进行通断控制,由此得到的电机绕组通电状态组合的数目(每一通电循环中转子的旋转步数)是有限的,取决于电机相数;其机械步距角与电机相数和转子齿数严格对应。为得到不同的步距角必须改变电机结构。在转子齿数一定的条件下,增加相数才能提高电动机的分辨率。例如五相步进电动机比二相电动机增加了相数,提高了分辨率,许多运行性能得到提高,成为一个独立的系列产品。是否可以在不改变电机结构的前提下,获得更小的步距角呢?这可以通过改进驱动电路中对绕组电流的控制方式来实现,也就是微步驱动技术。微步驱动技术是一种电流波形控制技术。其基本思想是控制每相绕组电流的波形,使其阶梯上升或下降,即在0和最大值之间给出多个稳定的中间状态,定子磁场的旋转过程中也就有了多个稳定的中间状态,对应于电机转子旋转的步数增多、步距角减小。采用细分驱动技术可以大大提高步进电机的步矩分辨率,减小转矩波动,避免低频共振及降低运行噪声。

  由上述说明可知,微步驱动是跟踪给定电流波形的相绕组电流闭环控制。控制电路根据预先存储的电流给定波形和输入控制脉冲序列的状态,实时给出当前步各相绕组电流的给定值与电流反馈值比较,改变主电路MOSFET驱动脉冲宽度,控制相绕组电流为给定值。图5给出了微步驱动电路结构框图。图中EPROM用来存储电流给定波形,循环加减计数器对输入控制脉冲序列循环计数给出对应于当前步的EPROM存储空间地址,EPROM输出相应的电流给定值数字量,经D/A转换得到电流给定值模拟量,与反馈值比较得到当前电流误差值,该误差值经电流控制器、PWM控制单元的作用改变MOS—FET驱动脉冲宽度,控制绕组电流为给定值。采用电流波形控制技术后,可以方便地实现微步驱动。相数少的电动机,也可以提高分辨率,在必要时可以很高,达到接近连续运行控制器的状态,称为“类伺服”特性。微步驱动是步进电动机驱动技术的一次飞跃。微步驱动技术推广应用以后,对产品设计带来了方便。为了获得理想的分辨率,可以不受电动机相数的限制。作为一种速度/位置开环驱动技术,微步驱动也存在一些问题需要解决。首要的是如何事先给定合适的绕组电流波形,使电机在全频域范围内获得理想的转矩特性并保证步距精度。

  由微步驱动的原理和工作过程可以看出,相绕组电流给定波形对微步驱动
步进电机系统的性能具有重要意义。一方面,我们希望电机步距角均匀,定位准确;另一方面,希望电机系统能够具有合适的输出力矩特性,例如低频恒转距。在微步驱动系统中,这些性能要求都
需要通过给定合适的相绕组电流波形来实现。
 步进电机微步驱动电路基本结构框图
图1 步进电机微步驱动电路基本结构框图


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