步進電機驅動器

步進電機驅動器是一種將電脈衝轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈衝信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的鏇轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速和定位的目的。

基本信息

• 中文名：步進電機驅動器

• 類型：電脈衝轉化為角位移的執行機構
• 目的：調速和定位
• 也叫：脈衝電機

驅動器簡介

步進電動機和步進電動機驅動器構成步進電機驅動系統。步進電動機驅動系統的性能，不但取決於步進電動機自身的性能，也取決於步進電動機驅動器的優劣。對步進電動機驅動器的研究幾乎是與步進電動機的研究同步進行的。

分類

步進電機按結構分類：步進電動機也叫脈衝電機，包括反應式步進電動機（VR）、永磁式步進電動機（PM）、混合式步進電動機（HB）等。
（1）反應式步進電動機：也叫感應式、磁滯式或磁阻式步進電動機。其定子和轉子均由軟磁材料製成，定子上均勻分布的大磁極上裝有多相勵磁繞組，定、轉子周邊均勻分布小齒和槽，通電後利用磁導的變化產生轉矩。一般為三、四、五、六相；可實現大轉矩輸出（消耗功率較大，電流最高可達20A，驅動電壓較高）；步距角小（最小可做到10’）；斷電時無定位轉矩；電機內阻尼較小，單步運行（指脈衝頻率很低時）震盪時間較長；啟動和運行頻率較高。
（2）永磁式步進電動機：通常電機轉子由永磁材料製成，軟磁材料製成的定子上有多相勵磁繞組，定、轉子周邊沒有小齒和槽，通電後利用永磁體與定子電流磁場相互作用產生轉矩。一般為兩相或四相；輸出轉矩小（消耗功率較小，電流一般小於2A，驅動電壓12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；斷電時具有一定的保持轉矩；啟動和運行頻率較低。
（3）混合式步進電動機：也叫永磁反應式、永磁感應式步進電動機，混合了永磁式和反應式的優點。其定子和四相反應式步進電動機沒有區別（但同一相的兩個磁極相對，且兩個磁極上繞組產生的N、S極性必須相同），轉子結構較為複雜（轉子內部為圓柱形永磁鐵，兩端外套軟磁材料，周邊有小齒和槽）。一般為兩相或四相；須供給正負脈衝信號；輸出轉矩較永磁式大（消耗功率相對較小）；步距角較永磁式小（一般為1.8度）；斷電時無定位轉矩；啟動和運行頻率較高；發展較快的一種步進電動機。

系統控制

步進電動機圖示

步進電動機不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅動電源（步進電動機驅動器）。控制器（脈衝信號發生器）可以通過控制脈衝的個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

基本原理

圖1

步進電機驅動器的原理，採用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉動。

圖1是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。
四相步進電機步進示意圖開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產生錯齒。當開關SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由於C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。

圖2

四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度。
單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.a、b、c所示。
驅動器相當於開關的組合單元。通過上位機的脈衝信號有順序給電機相序通電使電機轉動。

組成結構

環行分配器

根據輸入信號的要求產生電機在不同狀態下的開關波形信號處理
對環行分配器產生的開關信號波形進行PWM調製以及對相關的波形進行濾波整形處理3：推動級：對開關信號的電壓，電流進行放大提升主開關電路
用功率元器件直接控制電機的各相繞組

保護電路

當繞組電流過大時產生關斷信號對主迴路進行關斷，以保護電機驅動器和電機繞組

感測器

對電機的位置和角度進行實時監控，傳回信號的產生裝置

驅動方式

圖示

步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的驅動器，如圖所示，它由脈衝發生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。圖中點劃線所包圍的二個單元可以用微機控制來實現。驅動單元必須與驅動器直接耦合（防電磁干擾），也可理解成微機控制器的功率接口，這裡予以簡單介紹。
1.單電壓功率驅動

實用單電壓功率驅動接口及單步回響曲線

實用單電壓功率驅動接口及單步回響曲線電路如圖所示。在電機繞組迴路中串有電阻Rs，使電機迴路雙電壓功率驅動接口時間常數減小，高頻時電機能產生較大的電磁轉矩，還能緩解電機的低頻共振現象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡單單電壓驅動線路中，Rs是不可缺少的。
2.雙電壓功率驅動
雙電壓驅動的功率接口如圖4所示。雙電壓驅動的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓UL驅動，而在高速（高頻段）時用較高的電壓UH驅動。這種功率接口需要兩個控制信號，Uh為高壓有效控制信號，U為脈衝調寬驅動控制信號。圖中，功率管TH和二極體DL構成電源轉換電路。當Uh低電平，TH關斷，DL正偏置，低電壓UL對繞組供電。反之Uh高電平，TH導通，DL反偏，高電壓UH對繞組供電。這種電路可使電機在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時功耗減小。
3.高低壓功率驅動

高低壓功率驅動接口

高低壓功率驅動接口如圖所示。高低壓驅動的設計思想是，不論電機高低壓功率驅動接口
工作頻率如何，均利用高電壓UH供電來提高導通相繞組的電流前沿，而在前沿過後，用低電壓UL來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅動器的高頻性能，而且不必再串聯電阻Rs，消除了附加損耗。高低壓驅動功率接口也有兩個輸入控制信號Uh和Ul，它們應保持同步，且前沿在同一時刻跳變，如圖所示。圖中，高壓管VTH的導通時間tl不能太大，也不能太小，太大時，電機電流過載；太小時，動態性能改善不明顯。一般可取1~3ms。（當這個數值與電機的電氣時間常數相當時比較合適）。
4.斬波恆流功率驅動

圖6

恆流驅動的設計思想是，設法使導通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時均保持固定數值。使電機具有圖6斬波恆流功率驅動接口恆轉矩輸出特性。這是使用較多、效果較好的一種功率接口。圖6是斬波恆流功率接口原理圖。圖中R是一個用於電流採樣的小阻值電阻，稱為採樣電阻。當電流不大時，VT1和VT2同時受控於走步脈衝，當電流超過恆流給定的數值，VT2被封鎖，電源U被切除。由於電機繞組具有較大電感，此時靠二極體VD續流，維持繞組電流，電機靠消耗電感中的磁場能量產生出力。此時電流將按指數曲線衰減，同樣電流採樣值將減小。當電流小於恆流給定的數值，VT2導通，電源再次接通。如此反覆，電機繞組電流就穩定在由給定電平所決定的數值上，形成小小的鋸齒波，如圖所示。

示意圖

斬波恆流功率驅動接口也有兩個輸入控制信號，其中u1是數字脈衝，u2是模擬信號。這種功率接口的特點是：高頻回響大大提高，接近恆轉矩輸出特性，共振現象消除，但線路較複雜。相應的集成功率模組可供採用。
5.升頻升壓功率驅動
為了進一步提高驅動系統的高頻回響，可採用升頻升壓功率驅動接口。這種接口對繞組提供的電壓與電機的運行頻率成線性關係。它的主迴路實際上是一個開關穩壓電源，利用頻率-電壓變換器，將驅動脈衝的頻率轉換成直流電平，並用此電平去控制開關穩壓電源的輸入，這就構成了具有頻率反饋的功率驅動接口。
6.集成功率驅動

圖7

已有多種用於小功率步進電機驅動器的集成功率驅動接口電路可供選用。

專用晶片構成的步進電動驅動系統

L298晶片是一種H橋式驅動器，它設計成接受標準TTL邏輯電平信號，可用來驅動電感性負載。H橋可承受46V電壓，相電流高達2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的邏輯電路使用5V電源，功放級使用5~46V電壓，下橋發射極均單獨引出，以便接入電流取樣電阻。L298(等)採用15腳雙列直插小瓦數式封裝，工業品等級。它的內部結構如圖7所示。H橋驅動的主要特點是能夠對電機繞組進行正、反兩個方向通電。L298特別適用於對二相或四相步進電機驅動。