步進電機細分驅動技術是七十年代中期發展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅動控制技術。它是通過控制各相繞組中的電流,使它們按一定的規律上升或下降，即在零電流到最大電流之間形成多個穩定的中間電流狀態，相應的合成磁場矢量的方向也將存在多個穩定的中間狀態，且按細分步距旋轉。其中合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉力矩的大小，合成磁場矢量的方向決定了細分後步距角的大小。細分驅動技術進一步提高了步進電機轉角精度和運行平穩性。
基本介紹
- 中文名：步進電機細分驅動技術
- 外文名：sub-driver technology technology of step motor
- 學科：電力工程
- 出現時間：20世紀70年代
- 提出人：T.RrFedriksen
- 套用領域：工業、航天、精密測量等
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發展套用
步進電機細分驅動技術首先是由美國學者T.RrFedriksen在美國增量運動控制系統及器件年會上提出。最初，對步進電機相電流的控制是由硬體來實現的，每一相繞組的相電流用n個電晶體構成n個並聯迴路來控制，靠電晶體導通數的組合來控制相電流。隨著計算機技術的發展，特別是單片機的出現，開創了步進電機細分驅動技術的新局面。用單片機控制的步進電機細分驅動電路不僅減小了控制系統的體積、簡化了電路，同時進一步提高了細分精度和控制系統的智慧型化，從而使細分驅動技術得到了推廣。
國內步進電機細分驅動技術在九十年代中期得到了較大發展，主要套用在工業、航天、機器人、精密測量等領域，如數控工具機、跟蹤衛星用光電經緯儀中採用了步進電機細分驅動技術，大大提高了控制與測量精度。
細分驅動原理
步進電機的驅動是靠給步進電機的各相勵磁繞組輪流通以電流,實現步進電機內部磁場合成方向的變化來使步進電機轉動的。圖1是三相反應式步進電機的磁場矢量圖。圖中的矢量T-A,T-B,T-C為步進電機A，B，C三相勵磁繞組分別通電時產生的磁場矢量，T-AB，T-BC，T-CA為步進電機中AB，BC，CA兩相同時通電產生的合成磁場矢量。從圖1a中可以看出,當給步進電機的A，B，C三相輪流通電時，步進電機的內部磁場從T-A變化到T-B再變化到T-C，即磁場產生了旋轉。一般情況下,當步進電機的內部磁場變化一周(360°角)時，電機的轉子轉過一個齒距，因此，步進電機的步距角θB可表示為： θB=θM/Nr
式中，Nr為步進電機的轉子齒數；θM為步進電機運行時兩相鄰穩定磁場之間的夾角。
步進電機細分驅動電路
為了對步進電機的相電流進行控制，從而達到細分步進電機步距角的目的，人們曾設計了很多種步進電機的細分驅動電路。最初，對電機相電流的控制是由硬體來實現的，每一相繞組的相電流用n個電晶體構成n個並聯迴路來控制，靠電晶體導通數的組合來控制相電流。這種細分驅動電路線路複雜，體積大，成本高，而且電路一旦製造出來就難以改變其細分數，缺乏柔性，因此在目前的實際套用中已很少採用這種方法。
隨著微型計算機的發展，特別是單片計算機的出現，為步進電機的細分驅動帶來了便利。目前，步進電機細分驅動電路大多數都採用單片微機控制，它們的構成框圖如圖所示。單片機根據要求的步距角計算出各項繞組中通過的電流值,並輸出到數模轉換器(D/A)中，由D/A把數字量轉換為相應的模擬電壓，經過環形分配器加到各相的功放電路上，控制功放電路給各相繞組通以相應的電流，來實現步進電機的細分。
單片機控制的步進電機細分驅動電路根據末級功放管的工作狀態可分為放大型和開關型兩種。放大型步進電機細分驅動電路中末級功放管的輸出電流直接受單片機輸出的控制電壓控制，電路較簡單，電流的控制精度也較高，但是由於末級功放管工作在放大狀態，使功放管上的功耗較大，發熱嚴重，容易引起電晶體的溫漂，影響驅動電路的性能。甚至還可能由於電晶體的熱擊穿，使電路不能正常工作。因此該驅動電路一般套用於驅動電流較小、控制精度較高、散熱情況較好的場合。
開關型步進電機細分驅動電路中的末級功放管工作在開關狀態，從而使得電晶體上的功耗大大降低，克服了放大型細分電路中電晶體發熱嚴重的問題。但電路較複雜，輸出的電流有一定的波紋。因此該驅動電路一般用於輸出力矩較大的步進電機的驅動。隨著大輸出力矩步進電機的發展，開關型細分驅動電路近年來得到長足的發展。
目前，最常用的開關型步進電機細分驅動電路有斬波式和脈寬調製(PWM)式兩種。斬波式細分驅動電路的基本工作原理是對電機繞組中的電流進行檢測,和D/A輸出的控制電壓進行比較，若檢測出的電流值大於控制電壓，電路將使功放管截止，反之，使功放管導通。這樣，D/A輸出不同的控制電壓，繞組中將流過不同的電流值。脈寬調製式細分驅動電路是把D/A輸出的控制電壓加在脈寬調製電路的輸入端，脈寬調製電路將輸入的控制電壓轉換成相應脈衝寬度的矩形波，通過對功放管通斷時間的控制，改變輸出到電機繞組上的平均電流。由於電機繞組是一個感性負載，對電流有一定的濾波作用，而且脈寬調製電路的調製頻率較高，一般大於20 kHz，因此，雖然是斷續通電，但電機繞組中的電流還是較平穩的。和斬波式細分驅動電路相比，脈寬調製式細分驅動電路的控制精度高、工作頻率穩定，但線路較複雜。因此，脈寬調製式細分驅動電路多用於綜合驅動性能要求較高的場合。脈寬調製式細分驅動電路的關鍵是脈寬調製，它的作用是將給定的電壓信號調製成具有相應脈衝寬度的矩形波。
