陈百碌  金克    吕越芝  张平   （西安微电机研究所）

    步进电机性能与其驱动电路及参数密切相关，为了提高步进电动机的性能，采用细分技术是十分有效的措施，国外对细分技术的研究一直很活跃，近几年国内在恒流斩波电路的基础上对细分电路也进行了大量的研制，已开始朝商品化阶段发展。例如，常州微电机厂的BQXl-004驱动器等。

    步进电动机作为数字式执行元件，其系统与交直流系统相比，具有结构简单、成本低、定位方便等优点，但传统的驱动电路存在许多不足之处，如低频振荡、噪声大、分辨率不高等，严重地制约着步进电动机的应用范围。近几年来，各种文献不断提出方案以提高其性能，如平滑驱动、高效驱动等，尤其是细分技术的采用拓宽了步进电动机的应用范围，提高了与AC、DC系统的抗衡能力。

    本文介绍一种实用的电流闭环脉宽调制( PWM)恒流斩波型步进电动机细分电路，其驱动级采用PWM专用集成电路，功放电路采用大功率场效应管(VMOSFET)，电路具有全能量反馈，提高了效率和矩频特性，系统可靠性高。

    传统的步进电机驱动电路(见图la)采用双电压恒流斩波原理。图lb是其控制信号殁电流波形。该电路的特点是：

    a．当电压Ui消失时，由于采用了能量反馈，提高了效率。改善了矩频特性。

    b．低速运行时，由于绕组电流冲击大，出现低频振荡，使运行不平稳，噪声大，影响加工的粗糙度。

    c．定位精度没有提高。

    d．电磁噪声大。由于斩波频率一般设定在1—2kHz，因而斩波噪声大。由于各相斩波频率由反馈设定，很难保证斩波频率、相位的一致性，当电 机二相或三相同时导通时，会因互感而产生所谓的“差频噪声”。

    e．采用双电压形式，没有单电压简单。

    f．在斩波期间，仍有0.5nL的损耗，甩为斩波次数。

    这种系统只适用于加工精度要求不高的场合。目前国内各厂家生产的改造型步进电动机数控系统的驱动大部分是这种类型。

    该驱动思安陆原理框图如图2所示

    该电路采用了大功率VMOSFET得VMOSFET管具有驱动功率低、开关遍快、正温度系数、安全区大、无二次击身高增益等优点。

该驱动电路的技术关键是：

    a．采用细分技术，提高定位精度，克服低频振荡，减小噪声。

    b．为保证细分后阶梯电流波形前后沿一致，采用了V₁、V₂管同时斩波原理，实现了全能量回馈，提高了电源效率。

    c．由于斩波期间电流的沿很陡，为证有足够小的要求有足够商的斩波率，而采用VMOSFET管。

    d．为了克服电磁噪声，斩波频率应小于20kHz，超出人耳的听觉范围；由PWM专用集成电路易实现外同步，使各斩波频率、相位****一致，消除了“差频噪声”。

    e． 采用单电压形式，使电路更为简单。

    以西安微电机研究所生产的I60BF5B电机为例，简要说明驱动电路的工作原理，其细分数n=5。

    计算机可提供系统所需的信号，有硬环分和软环分两种。硬环分可由EPROM或GAL实现，构成所谓“E+P”或“G+P”细分驱动器。

    由于采用五细分，细每相需三根控制线，取其六种状态000，001，010，．011，100，101，代表各台阶状态。 D／A转换，逻辑部分接收由计算机发来的信号，输出相应的电压基准和相序控制信号，其波形与相位关系如图3所示。

    PWM专用集成模块是驱动电路的核心元件，它是一种频率固定的脉宽调制控制电路，它由振荡器、误差放大器、基准电源、PWM比较器、死区时间比较器及输出部分组成，工作频率为1.0～300kHz，输出电流达400mA，可直接驱动VMOSFET管，其、特点是：

·输出级电源达200mA

·内设误差放大器

·内设SV+百分之五电压基准

·死区时间可调整

·输出形式可单端亦可双端

·振荡器可外同步

    图4是该器件内部主要部分原理框图．可见，基准电压信号、检测信号经A_l、A ₃三角波发生器得到PWM调制控制信号，经逻辑输出。相序控制信号经A₂，使在无信号时输出为零。这样，就得到了具有相序控制的PWM调制控制信号。

     转换部分采用了高反压PNP三极管，免去了隔离，电路如图5所示，其中U+电压是为了保证V₁管的栅一源极有稳定的偏置而设置的，且为稳压管DW,稳压值。通常，U+>V+20V。

    检测部分由于V₁、V₂处于同样的工作状态，为保证检测电流连续性，检测部分就既要在主回路又在回馈回路中，检测元件可采用霍尔元件、电流互感器、线性光耦合等。

    步进电动机实际上是转子不加励磁的同步电机，下面以五相电动机为例说明绕组电流的确定。

  设   =l，I1、I2、I3、14、I5分别为绕组电流台阶电流值，则由矢量图6可得：

 

   160BF5B电机|I_a|=13A,则各台电流为：I₁=2.684A I₂=5.241A， I₃=7.758A ，I₄=10.185A ，I₅=13A 由此可得到基准台阶电压差比例为：0.20645；0.19673；0.19362；0.19673；0.20

   由于D/A转换的基准电压是由分电阻分压得到的，因而以上比例关系即压电阻的比例关系。当然在世纪调试中，由于存在各种可能性，以上关系要适当的修正，以确保台阶的比例，得到均匀的步距角。

    试制的BQPX13-lA步进电动机驱动器，配以160BF5B电动机，其性高，如低频运行平稳、噪声小；定位精高、如矩频特性好等。驱动器结构紧凑积小。