两相步进电动机正弦恒流斩波细分驱动器设计

郑雪钦，高锵源，徐广令，巍明明

(厦门理工学院，厦门361024)

0 引 言

步进电动机是数字控制系统中的执行元件［1］，在一些自动控制仪器上的应用十分广泛［2］。如精密加工、航空航天自动化技术等领域内，由于对定位精度要求高，导致对步进电动机的细分数要求也越来越高，所以研制一种高精度、低成本、高性价比的步进电动机驱动控制系统具有非常重要的意义。

随着步进电动机驱动技术的不断发展，经过实验证明，发现细分驱动控制方式不仅可以减小步进电动机的步距角，而且还能通过细分控制来减少步进电动机在低频工作时的低频振动问题，大大提高电机运行的平稳性［3］。虽然现有的一些步进电动机的集成驱动芯片可以达到一定的控制效果，而且驱动电路简单，但是灵活性不高，使步进电动机驱动电路的设计和使用在一定程度上受到了限制［4］。还有些步进电动机的驱动器利用高性能的微机、高精度的DA 芯片等来实现驱动控制，虽然性能好，但成本高，性价比低。

本文设计了以单片机为主控制器、4 个8 位数字电位器通过运放电路构成两路具有16 位的DA功能的数模转换器、分立功率驱动电路等构成恒流斩波正弦细分驱动器，实现了步进电动机恒转矩、无振动和无噪声的驱动控制。该驱动器具有细分数高，细分选择范围广，电机输出电流大。电机转速可根据输入脉冲频率来调整，使系统的控制更加灵活;由于本文设计的细分驱动控制器可以提高步进电动机的细分数，生产成本低，适用于大部分的两相步进电动机的控制要求，所以该细分驱动控制器具有驱动性能好、实用性强的特点。

1 步进电动机系统的整体方案设计

为了使步进电动机系统工作更加可靠灵活，所以提出系统采用通过微机控制两路DA 数模变换器，输出两个相位相差90°的正弦波参考电压，与通过电机的采样相电流值进行比较，利用斩波对步进电动机进行驱动。通过同时改变步进电动机的两相相电流值，实现步进电动机的恒流斩波控制。令ia为流过A 相的相电流，ib为流过B 相的相电流，则ic为ia与ib的合成电流［5］。

式中:θ 为m 细分下的步距角，n=1，2，…，m。

以2 细分为例，画出步进电动机在2 细分驱动时的磁场合成矢量图，如图1 所示。

图1 步进电动机在2 细分时的矢量合成图

1.1 系统设计框图

系统设计框图如图2 所示。两相步进电动机细分控制器通过按键选择细分数、电机绕组输出电流的大小和电机的正反转，可以通过不同的频率来改变电机的转速。两路16 位DA 数模转换器在微机的控制下，输出两个相位相差90°的正弦波参考电压，通过两个相电流采样电路，将相电流的变化转化为电压变化。再将采样电压经过低通滤波后，利用L6506D 内部自带比较器，与双路DA 转换器输出的参考电压进行比较，通过比较的结果，来控制L298N桥式电路的开关，实现恒流斩波控制，从而使步进电动机输出的相电流实时跟随输入的正弦参考信号的变化。为了简化设计，本文采用单极性正弦波绝对值信号作为参考电压。通过微机控制改变L298N桥式电路的桥臂导通方向，来改变电机绕组相电流的电流流向，从而达到相电流的双极性控制的目的。

图2 系统设计框图电路

1.2 16 位DA 数模转换器

由于系统要求DA 输出的参考电压为正弦波，细分数达到128 细分及以上，且电机的转速要求随输入的脉冲频率来改变，利用单片机控制DA 数模转换器，来产生正弦波参考电压。因此，系统对DA的精度要求比较高，理论上16 位的DA 可以满足256 细分设计要求。假设参考电压为1 V，系统运行在128 细分时，部分正弦波在一定角度时对应的理论值与16 位DA 的输出理论值如表1 所示。由表1可知，16 位DA 输出值与理想的正弦波十分接近，相对误差小于0.0001%，可以满足128 细分的设计要求。

表1 16 位DA 正弦输出理论值与现对误差

由于现有的16 位DA 芯片比较贵，不能满足设计低成本的要求，所以在系统设计时，采用模电中的加法器原理，将两个低成本的具有8 位DA 转换功能的数字电位器，通过运放生成一个具有16 位DA功能的数模转换器。将其应用在步进电动机的细分驱动器上，原理图如图3 所示。输出电压:

式中:C 为常数。

图3 16 位DA 数模转换器

通过测试两路16 位在128 细分下DA 参考电压的输出，示波器测试图，如图4 所示，两路信号的幅值相同，相位角相差90°，符合设计要求。

图4 16 位DA 输出参考电压图

1.3 驱动电路的设计

步进电动机的驱动电路如图5 所示，由一个L6506D 和一个L298N 组成。L6506D 内部自带两个比较器，步进电动机的两个绕组的反馈相电流分别经过两个采样电路转换为电压后，与微机控制的两路16 位DA 数模转换器输出的两个正弦参考电压进行比较，当负载绕组的相电流采样值达到DA的输出的参考电压时，对应的比较器会触发复位，将L298N 的H 桥电路断开，并通过回流通道，使步进电动机的相电流逐渐变弱，当负载绕组的相电流采样值小于DA 的输出的参考电压时，比较器会触发开通信号，将L298N 的H 桥电路打开，使负载电流增加，如此反复循环。从而实现步进电动机两相相电流实时跟随输入参考正弦信号的变化，达到正弦恒流斩波的驱动控制目的。其中芯片L6506D 的振荡器工作频率外接R9，C13 电路控制如图5 所示，其工作频率:

图5 步进驱动电路原图

1.4 滤波器

由于步进电动机的驱动处于实时开通与关断，造成采样电压有电压毛刺和高频分量，如果直接将采样电压送到比较器，会使电机的输出电流与实际的设置电流有误差，而且该误差会随着开关频率的增加而增加。为此，系统采用了一阶有源滤波器，如图6 所示，对采样的电机相电流进行滤波。

图6 RC 低通滤波器

由式(7)可知，该滤波器的输出不受负载影响，符合设计的要求。如图7 所示。

图7 滤波前后的采样相电流波形

滤波前的采样波形与滤波后的采样波形进行对比，滤波后的采样波形只剩下直流成分，符合理论设计要求，证明了滤波器设计的有效性。

将采样电压进行滤波后再送到比较器端，测试波形如图8 所示，电机的实际输出电流与设置的电流十分接近，实验证明系统设计有效。

图8 采样电压与DA 输出参考电压

2 软件设计

为了满足系统控制灵活的设计要求，DA 的参考电压的变化频率要随着输入微机的脉冲频率的变化而变化，这样才能使得驱动器具有更高的使用灵活。而且两路DA 的输出参考电压要同时变化时才能满足恒流斩波驱动的要求。为此系统通过软件上的设计，使得四个数字电位MCP41010 能够同时改变，以达到设计的要求。

3 细分驱动系统整体性能测试

两相步进电动机细分驱动系统，在开机前设置好后，开机测试。两相步进电动机运行在128 细分时，两相绕组电流采样电流示波器所示界面如图9 所示，步进电动机两相绕组AB 的幅值相同，相位角相差90°。经过多次测试，驱动器在不同细分数和不同参考电压下能平稳的运行，完成了系统设计最初所设的目标，系统的细分数可以达到128 细分，由于所用的步进电动机较小，所以电流一般设置在1 A 左右，如果做好散热处理,电机输出电流可以达到1.75 A 左右。

图9 两相绕组电流采样示波器界面

4 结 语

系统测试结果证明设计方案可靠可行,如果使用处理速度更高的微机或者使用转换速度更快的DA 数模转换器,则可以提高电机的运转速度。 由于整个系统的设计合理有效,生产成本低,细分数高,系统工作可靠灵活,有较高的驱动能力,所以该系统其具有较强的实用性。 同时也说明了采用分立器件的细分驱动具有较高的实用性,而且系统自带电路保护,可以使整个驱动器的工作安全性提高,具有较高的实用价值。

[1] 余炳雄,陈志玲,黎浩樑.二相步进电机驱动电路的设计[J].华电技术,2009,33(1)：36-33.

[2] 朱武,涂祥存,操瑞发,等. 基于L6506/L298 芯片细分步进电机驱动系统设计[J].电气自动化,2011,33(1)：10-12.

[3] 王祖麟,李志雄. 步进电机一体化控制系统的设计与实现[J].电子技术,2014,8(13)：49-51.

[4] 谢长君,杜康,刘力. 两相步进电机细分驱动器研究[J].武汉理工大学学报,2013,35(6)：851-852.

[5] 董圣英,刘建亭,霍孟友.基于驱动电路3955 的步进电机细分驱动器设计[J].济南大学学报,2010,24(4)：399-400.