仪 表 技 术 ２０ ０ ４年第 ４期 五相混合式步进电动机驱动技术 王友军 （ 解放军理工大学 理学院， 南京 ２０ １） １０６ 摘要 ：介绍对五相混合式步进 电动机 系统所用的 Ｖ Ｖ 、 Ｆ Ｖ 升频升压、 恒流、 细分等驱动技术。 关键词 ：泥合式步进电动机 ； 细分驱动 ； 脉宽调制； 调频调压 中图分类号 二Ｔ３４ Ｐ３ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ６ ２９ （ ０ ） － ２ ０ ０ 一 ３４２ ４０ ０４ 一 ２ ０ ０ ４ ０ Ｄ ｉｎ Ｔ ｃｎ ｕｓ ５ｐ ａｅｂｉ ｔ ｙｒ Ｓｅ Ｍｏ ｒ ｒ ｉ ｅｈｉ ｅ ｆｒ ｈｓ Ｈ ｄ ｐ ｔ ｖ ｇ ｑ ｏ － ｏ （ ｓ ｕ ｏ Ｓｉ ｃｓ ＰＡ Ｓ ， ｊｇ０６ Ｃｉ ） Ｉ ｔ ｔ ｆ ｎｅ， ＵＴ Ｎｎｎ ２０１，ｎ ｎｉ ｅ ｃ ｔ ｅ Ｌ ａｉ １ ｈａ Ａ ｓ ａｔ Ｄｉｎ ｍ ｔ ｄ ｕ ｄ －ｈｓ ｈｂｄ ｍｔ ｄｖ ａ ｉｒ ｕｅ ｉｔ ｐｐｒ ｂｔ ｃ： ｉ ｅ ｏｓ ｉ５ｐａ ｙｒ ｓｐ ｏ ｒｅ ｒ ｎｏ ｃ ｎ ａｅ． ｒ ｒ ｇ ｈ ｓ ｎ ｅ ｉ ｔ ｏ ｒ ｒ ｔｄ ｄ ｈ ｖ ｅ ｅ ｉ ｅ ｅ Ｋ ｙｒｓ ｈｂ ｄｐｔ ；ｒ ｓｐｖ ｇ Ｐ ｅ ｗ ｄ： ｒ ｓ ｍ ｏ ｍｃ ｔ ｄ ｉ ； ｏ ｙ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉｏ ｅ ｒ ｎ ＷＭ；Ｖ ｅ － ｉ Ｖ Ｖ Ｆ ＷＡ Ｇ ｕｊｎ Ｎ Ｙ － ｏ ｕ 步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械位 移（ 角位移和线位移） 的机电执行元件。它的机械位移 与输人的数字脉冲有着严格的对应关系， 数字脉冲输 人越多， 位移越大 ； 输入脉冲的频率越高， 机械位移速 度就越快。步进电动机系统的性能除了与电动机本身 的性能有关外 ， 在很大程度上取决于使用的驱动器的 驱动方式。五相混合式步进电动机是步进电动机的主 单步运行的过冲量和低频振荡， 提高了低速运行的平 稳性。缺点是电源主电路的惯性滤波环节降低了系统 的动态性能和步进电机的起动频率。 ： ！ ４ －－一： 笼ｉ ｉ － － ｉ－ 要产品之一， 在各领域获得广泛应用， 下面就其驱动器 用到的驱动技术作一介绍。 １ 恒流斩波控制 图 １ 恒总电流调频调压驱动 ３ 电流开环式 Ｉ％ 升频升压驱动 Ｐ Ｍ 这种驱动技术的特点是直流供电电压直接加到逆 变桥上， 且电压不变化。其基本思想是利用绕组电流 检测值（ 相电流或线电流， 取决于是五相全桥还是五相 半桥驱动） 与给定值比较， 结果去控制桥臂上功率管的 开关 ， 使绕组电流保持给定值。电流控制常采用恒频 斩波控制。这种技术的优点是 ： 步进电机高频运行性 能好 、 系统动态响应快、 效率高、 电机带载能力强 ： 缺点 是低速运行时绕组电流前沿太陡致使电机低频运行效 果差， 有明显的低频震动。 ２ 植总电流调频调压驱动 图１ 是这种技术的供电主电路。其特点是加到逆 变桥上的直流电压不是固定的， 随输入脉冲频率而变 化， 升频时升压。总电流的恒定通过电压变换器斩波 管的 Ｐ Ｍ控制来实现。步进电机低速运行时， Ｗ 电机 绕组的旋转反电压很小， 通过电流反馈， 电压变换器输 出到逆变桥上的直流电压 自动降低 ， 维持总电流恒定。 电压降低使电机绕组电流前沿变缓 ， 减小了步进 电机 收稿 日期 作 者简 介 万方数据 该方法的电源主电路如图 ２ 所示 ，该驱动方式 也是采用升频升压控制技术来降低 电机低频运行时 的振动，但在控制形式上与恒总 电流升频升压驱动 技术有很大不 同，一是 电流开环 ；二是 电压变换器 斩波管用与步进电动机输人脉冲频率成一定 函数关 系的 Ｐ ＷＭ脉冲来控制，以实现逆变桥直流电压／ 频 率的协调控制。技术应用上要注意的是 ：因电流开 环 ，逆变桥直流电压／ 频率的协调控制是以限制步进 电机绕组电流不超过其额定值为原则。用该方法实 现的驱动器特点是 ：步进 电机低速运行 时逆变桥直 流电压很小 ，电机运行相 当平稳 ；另外 ，因无 电流 反馈环节 ，系统结构相对 简化。不足是 ：针对 不 同 规格型号、不同家的步进电机，驱动器逆变桥直 流电压／ 频率控制规律要调整，增加了具体使用的复 杂性 ；由于电流开环 ，一方面电机绕组电流易受 Ｆ ／ Ｖ和 Ｐ ＷＭ电路中所用元件参数变化的影响 ，另一方 面步进电机低速运行时逆变桥上的直流电压很小使 得电机的快速响应性能下降。 ２０ ０ ４一０ ３ 王友军（ ６－）男 ， ， １ ５ ， 硕士 副教授 ， ９ 从事专业基础教学和科研工作。 ２０ 年第 ４期 ０４ 仪 表 技 术 ６ 细分驱动技术 图２ 电流开环 Ｐ ＷＭ升频升压驱动 ４ 升频升压结合恒流控制技术 细分驱动技术是将步进电机的一个步距角细分成 若于步 ， 步进电动机系统因此可获得更高的分辨率 ， 更 小的脉冲当量 ， 同时可明显减小或消除步进电机的低 频振动和噪声。五相步进电机相数多， 对其实现细分 （ 或任意细分） 驱动， 电路实现上较复杂， 前在国内还 目 没有看到这方面技术的应用报道 ， 国外已有了产品， 如 这种方法是近年出现的， 它综合恒流斩波控制和 电流开环式 Ｐ ＷＭ升频升压驱动技术 的优点 ， 电流 将 控制技术与升频升压技术有机结合在一起。图 ３ 是该 方法的原理框图， 由 ＦＶ 电压检测、 它 ／、 比例积分调节 （Ｉ）直流斩波构成闭环的升频升压控制环节； Ｐ 、 Ｄ 由电 流检测和电流控制构成电流控制环节 ， 并在一定频率 范围内使电机绕组电流随电机运行速度提高而提高， 实现升频升流控制以改善步进电机高频运行性能。该 控制方法的桥路直流电压／ 频率函数关系与单纯的电 流开环式升频升压驱动控制技术不同的是 ： 该函数关 系不再是由限制绕组电流的幅值来确定， 而是根据对 电机快速性要求和对 电机运行平稳性 的考虑折衷确 定。系统优点是 ： 闭环的升频升压控制， 电机低频运行 日 Ｒ ＲＥ 本 Ｏ Ｚ 的 Ｒ － ３ Ｓ细分数达 ４０对 Ｄ０ Ｍ ５ ０， 应小细分步距角为 ００１ ）Ｔ Ｍ Ｇ Ｗ ． －， Ａ Ａ Ａ的 ０８ Ａ Ａ ９１ 和 Ａ ９５。细分驱动技术是一种步进电机相 Ｕ１６ Ｕ１１ 电流波形控制技术。步进 电机步距 角任意细分 的实 现， 需在电机内建立均匀的圆形旋转磁场， 各相绕组的 合成磁势矢量应在空间作幅值恒定的旋转运动， 就五 相步进电机来说 ， 需在其五相绕组中分别通以相位上 相差 ２／ 而幅值相同的正弦电流。采用电流控制技 ｎ５ 术实现细分驱动是步进驱动系统的一个发展方向。 参考文献 ： ［］ １ 王英 ， 辜承林 ， 王宗培 ． 谐波电流对混合式步进电动机中频 率振荡的影响【 ． Ｊ 中国电机工程学报 ， ９， （） １ ４ ． ］ １ ９１ ９ ： 一 ５ ９ ９ ４ ［］ ２ 陈敏祥 ． 五相混合式步进电动机驱动新技术 【］电机与控 Ｊ． 平稳的同时消除了外界环境（ 如电网电压） 对驱动器输 出的影响； 电流闭环升频升流控制， 提高了驱动器的快 速性能和对 电机的适应性。 制学报， ８２ ）３ ４ ． ９， ｌ： 一 １ １ ９ （ ８ ［］ ３ 王宗培 ， 赵书韬 ， 任雷， ． 等 混合式步进 电动机的研究（ 二） ［］电工技术杂志， ９， ）５ ７ Ｊ． １ ８（ ：一 ． ９ ４ ［〕 ４ 孙鹤旭 ． 交流步进传动系统 【 ． Ｍ］北京 ： 机械工业 出版社 ， １６ ９． ９ 环分 Ｈ 前级驭动臼 ！ 叫 卜 逆变转换 Ｉ 直流斩波 叫 （ 郁红编发） Ｑ ｉ Ｐ Ｉ５ｘ Ｅ Ｐ家族新产品 ｕ ｋ Ｑ ８０ ｃ Ｃ Ｌ Ｓ 嵌人式标准产品（Ｓ） ＥＰ 的先驱企业 ＱｉＬｇ 发布了 ｕｋ ｉ ｃ ｏ。 ４ 款专为便携式应用而优化的Ｑ５ｘ 系列 ＱｉＰＩ １８ ０ ｕｋＣ新器件， ｃ 产 品符合 Ｐ Ｉ 标准要求 ， Ｃ ２３ ． 并且具有低功耗 、 高性能 、 上电立即 可用等优 良特性。使用 这 ４款新 器 件 ， 户 可 以实现 高 达 用 Ｆ Ｉ ａ 流控制ｋ 电 ／ Ｊ 电 Ｖ ｃ 流检侧Ｉ 电 侧Ｄ ｛ Ｉ 压植 ０ Ｐ Ｉ ｛ Ｍ ＤＩＷ Ｐ 图 ３ 升频升压结合恒流控制原理框 图 １ Ｍ ｐ的 ＰＩ ３ Ｂｓ Ｃ 总线 同时仍然能够满足诸如 Ｍｎ．Ｃ ｉ － ｉ ＰＩ ５ 新五边形绕组联接的恒流斩波恒总电流驱动技术 这种方法的特点不在于驱动技术本身， 在于 电机绕组采用 了新的五边形联接。减小步进电机电磁 转矩的谐波分量或增加系统的阻尼是消除或抑制步进 电机振荡的两个根本。电机绕组采用不 同联接方式 ， 模块或 Ｃｒ ｕ 插 卡这 类便携式 Ｐ Ｉ ａ Ｂｓ ｄ Ｃ 应用 的严 格功耗要求。 Ｑ５ｘ 系列器件支持３ 位 ＰＩｅ功能。 Ｌ８ ０ ２ Ｃ Ｔｒｔ ａ ｇ ３Ｍ ｚ ２ 位的Ｑ５ｘ 系列器件组合了性能稳定的ＰＩ ３ Ｈ， ３ Ｌ８ ０ Ｃ２ ． ３ 协议控制器与使用灵活的 ＱｉＬｇ ＦＧ ｕ ｋｏｃ Ａ可编程逻辑。这 ｃ ｉ Ｐ 些器件业 已通过了可靠验证 ， 从而能使设计人员集中精力进行 自有 Ｉ 的开发及其与 ＦＧ Ｐ Ｐ Ａ的集成 ， 而不是在复杂的 Ｐ Ｉ 口 Ｃ接 它的电磁阻尼特性会产生相应变化〔。正是基于这一 ’ 〕 研究， 文献［］ ２提出了五相绕组按 Ａ －Ｅ －Ｄ首 －Ｃ －Ｂ 尾串联的新五边形驱动方式。传统的 Ａ ｝Ｃ － ｝Ｂ ｝Ｄ ＞ Ｅ首尾串联五边形联接 ， 在不考虑绕组互感的情况下 ， 各相绕组电流是独立的， 而新五边形联接的五相绕组 电流相互关联 ， 能产生较大的电磁阻尼力矩 ， 电机在整 开发上浪费时间精力。Ｑ５ｘ Ｌ８ ０系列器件的可编程逻辑部分包 含高达 １ ８ ｕ ｋｏｉＬｇ Ｃｌ ４ 个ＱｉＬｇ ｏｉ ｅ 和高达２ 个双端口Ｒ Ｍ模 ７ ｃ ｃ ｃ ｌ ２ Ａ 块， 它们可以配置为多种宽度／ 深度组合仿． 式。此外 ，Ａ Ｒ Ｍ模块 还可以和逻辑单元整合成Ｆ Ｏ或在开机时由串 ＥＲ Ｍ进 Ｉ， Ｆ 行ＥＰＯ 行初始化 ， 然后作为 Ｒ Ｍ使用。 Ｏ ＱｉＰＩ 以 Ｐ 套件方式提供解决方案， ｕｋＣ Ｅ ｃ Ｓ 它包括一个综合 的测试套件、 参考设计工具集（Ｄ ） ＱｉＬ ｉ的综合性客 Ｒ Ｋ 和 ｕｋｏ。 ｃ ｇ 户支持服务。 个运行频率范围内没有振荡区［， ２ 优良的运行平稳性 １ 是新五边形联接驱动的优点。 万方数据 Ｑ５ｘ设 目前正处于样片（ａｐｎ） Ｉ８ ０ ｓ ｌｇ 阶段， ｍｉ 预计将于 ２０ 年第三季度投产。 ０４
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