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林 波，李兴根
(浙江大学，浙江杭州 310027)
摘要：提出软硬件结合的数字模拟控制技术实现电流追踪型混合式步进电机SPWM微步驱动，使混合式步进电机各相电流接近正弦波，以得到准同步交流电动机的圆形旋转磁场，大大削除了步进工况，同时使该驱动电源能运
用于数字伺服调速系统，
关键词：SPWM步进电机、微步驱动
中图分类号；TM301.2 文献标识码：A 文章编号：1001-6848(2000)03-0016-03
1引 言
步进电机在工业控制的各方面应用十分广泛，其主要优点是开环运行的机制获得了接近闭环的良好性能。但在控制要求高的场合却只能用带位置闭环的直流电机，系统成本大大增加。
理论上，只要将一个整步无限细分便可看作是连续运行。实际上受元器件的限制，虽不能完全连续运行，当微步数足够大时，便能满足精度要求。本文实现的微步驱动方法具育简洁、可变、普适性及推广的价值。
2原理
以二相混合式步进电机为例，先介绍转矩表达式和圆形旋转磁场的形式。
如果忽略涡流和饱和效应等其他非线性因素，其力矩方程为。
为进行细分，可令相电流为。
J为额定电流，口为时间函数，其值为所要求的步进位置。空载时，转子的平衡位置决定，可见平衡位置移动了a角，也就是需要的角位移。
两相对称绕组通入两相对称电流就能产生圆形旋转磁场，这是因为由电流产生的磁密相量为：
A相和B相的磁密矢量和长度在整个时域内，且其方向是随时间的变化在空间进行旋转。
3系 统
整个系统主要由微步信号发生环节，线性PWM斩波环节，自举驱动环节，全H桥主回路4部分构成。
3.1参考波形数据产生
先用C或MATLAB等语言对正弦波进行3600N微步角庋均分，即需要多少微步就把3600均分成多少个采样点，算出各采样点的正弦值，然后对
得到的浮点数进行2进制量化处理，针对8位DlA转换得到2进制偏移量，将此数据输入EPROM，这样数据处理工作即完成。
以8微步为例，图1中参考波形之间有900的相位差，由于全H桥对桥导通的要求，本系统巧妙地对每相参考波形值分三类作了两种控制状态的同步控制标记位，即大于零的点标为0，等于零的点标为1，小于零的点标为1，控制标记O表示该相导通，1表示该相截止，这些标记和参考波形值分放在不同的EPROM中，但它们一一对应地存放在相同的地址下，以便同步可逆计数器按地址同步选出。该控制标记用来控制TL494的死区端，从而控制PWM信号的输出。这样处理的好处有两点，一是控制标记和参考波形的输出是同步的，二是每相信号都有天然的桥臂互锁时间，即参考波形的零值所对应的标记1，为1时关断桥臂，避免了直通现象。参考波形相位见图1。
3.2微步信号发生环节
同步可逆计数器由两片CD4516级连而成，二者共受同一个清零信号控制，以便周期循环可变进制计数，高位计数器的CP脉冲由低位计数器的进位输出送入。8位数据输出线可寻址256个单元，27C64有很多页，这里用了4页，存放4档微步参考波形值，即8、32、64、128微步4种，页的寻址由高位地址线来完成。
3片EPROM分别存放A相，B相，控制标记。其中控制标记EPROM的DO，Dl输出A和-A相通断信号，D4，D5输出B和-B相通断信号，D7送出清零信号。控制标记EPROM见图2。
A相和B相EPROM的8位输出送入DAC0832进行数模转换，DAC0832的参考电平由精密基准电压源送入。由于DAC0832是电流型输
出，所以要用运放转化为电压型输出，此处用高精度，低飘移的OP07。综合后面电流反馈信号是正电平，而DAC0832是反极性输出，故参考电平应为负电平输入才能得到正确的参考波形，参考电平不能太低，否则会影响输出波形质量。DAC0832数模转换器见图3。
从DAC0832出来的阶梯正弦波为单一的正半波，这不会影响后级驱动，因为极性控制是由控制标记EPROM来完成。控制标记EPROM出来的信号是+5v的电平，需要转化为+15V，这可以用普通高频三极管来实现。
3.3线性SPWM斩波环节
斩波由线性PWM集成块TL494执衍，此处用了单端射极输出，5脚，6脚分别接电容和电阻以产生锯齿波，其中误差放大器2闲置不用。误差放大器1的2脚接参考波形，1脚接采样电阻的反馈信号，2脚与3脚之间接RC网络用来控制PWM的动作快慢和对电流闭环反馈系统零极点进行补偿，其取值与电机内部参数有关，而且不能太大，否则PWM动作过快会引起电流出现异常尖峰；也不能太小，否则PWM动作过慢会失去微步切换的跟随程度。故此网络取值很重要。4脚接各相控制标记行信号，当为1时关断PWM输出，为0时让PWM信号通行。线性PWM集成块TL494功能图见图4。
3.4 自举驱动环节
PWM信号通过具有自举功能的MOSFET驱动芯片IR2110的上通道送入全H桥的上桥臂，进行下桥导通、上桥斩波的工作过程。IR2110是国际
整流器公司的产品，有两个完全独立的高保真输入输出通道，且两个通道有开通慢、关断快的防桥臂直通的互锁功能，加上原有的互锁控制信号，使得主电路工作更为可靠。IR2110的典型接法见图5。
IR2110的上通道输出级的工作电源是一悬浮电源，这是通过一种自举技术由固定的电源得来的。充电二极管的耐压能力必须大于高压母线的峰值电压，推荐采用一个快恢复的二极管。自举电容C1的值对于5kHz以上的开关频率取0.lvF即可。应用中应在Vcc,和COM间，VDD和VSS间连接两个旁路电容，这两个电容及VB和VS间的储能电容都要与器件就近连接。建议VCC上的旁路电容用一个0. 1pLF的陶瓷电容和一个lt.eF的钽电容并联，而逻辑电源VDD上有一个O.lVF的陶瓷电容已足够了。每个MOSFET应分别连接到IR 2110的2脚和5脚作为栅极驱动信号的反馈。串入一个栅极电阻可以消除振荡。
3.5主电路
主电路中采样电阻的放置很讲究。由于工作过程务为导通、续流、抑制三个过程，若要保持良好的电流追踪性，要求反馈信号实时地反映电流变化的状况，将采样电阻放入续流回路将有这方面的益处。主电路见图6。
续流可分为有源和无源两种。若用无源续流，则由于电机电感和电阻参数变化较大，如果续流回路的时间常数很大，电流的下降很慢，对微步运行的电流下降期间极为不利。无源续流是由于上桥斩波，下桥导通引起的，故斩单桥臂只对低频等要求不高的场合有应用价值。
为了改善无源续流时电流下降过慢的情况，可以采用有源续流，即同时斩双桥。上下桥同时截止时，将发生有源抑制，迫使绕组中的电流快速下降，从而基本跟随设定的电流波形，使得电机在低中频段都能进行微步运行。
在有源续流时，由于MOSFET中的寄生二极管的存在，使得续流电流在地点分为两路，一路即所希望的通过快复二极管续流，见回路1，但另一路则反向通过采样电阻和寄生二极管续流，见回路2，使得采样电阻上出现负值电流，其幅值较大时会引起单电源工作的TL494工作不正常。相应的措施有主动防止和被动防止两种。主动防止可在下桥MOSFET的漏极和电感之间反向串入一个快复二极管，性能参数均与续流快复二极管一样。这样使碍寄生二极管无效，只留下快复二极管进行续流。被动防止则加入精密检波环节，削去负值波形，同时不失真地保留原有的正值波形。
在有源续流时，用采样电阻这种方式进行反馈有不足之处，它将连续电流波形分成了离散电流波形，而比较端的设定电流波形为连续信号。根据自动控制理论，此离散电流信号必须经过一个采样保持器，将它转化为连续信号后才能被送到比较端进行比较。具体器件可用LF398等采样保持器。
4结论
研制的微步驱动器用于130BYG250型、8A每相、28Nm的二相混合式步进电机具有良好的调速和驱动性能。其它混合式步进电机的微步驱动可以运用本文的思想加以推广。
参考文献：
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[4] 陈伯时．电力拖动自动控制系统[M]．机械工业出版社，1992．
作者简介：林波（1975-），浙江桐庐人，浙江大学电机及控制专业硕士研究生，师从李兴根副教授，主要研究方向为微特电机及控制．
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