步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。與交流伺服電機及直流伺服電機相比，其突出優(yōu)點就是價格低廉，并且無積累誤差。但是，步進電機運行存在許多不足之處，如低頻振蕩、噪聲大、分辨率不高等，又嚴重制約了步進電機的應用范圍。相對于其他的驅動方式，細分驅動方式不僅可以減小步進電機的步距角，提高分辨率，而且可以減少或消除低頻振動，使電機運行更加平穩(wěn)均勻。

　　現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機(vr)、永磁式步進電機(pm)、混合式步進電機(hb)和單相式步進電機等。由于三相混合式步進電機比二相步進電機有更好的低速平穩(wěn)性及輸出力矩，所以三相混合式步進電機比二相步進電機有更好應用前景。

　　2、細分原理

　　步進電機的細分控制從本質上講是通過對步進電機的定子繞組中電流的控制，使步進電機內部的合成磁場按某種要求變化，從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量的之間的夾角大小決定了步距角的大小。在電機內產生接近均勻的圓形旋轉磁場，各相繞組的合成磁場矢量，這就需要在各相繞相中通以正弦電流。

　　混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。三相混合式步進電機的工作原理十分類似于交流永磁同步伺服電機。其轉子上所用永磁磁鐵同樣是具有高磁密特性的稀土永磁材料，所以在轉子上產生的感應電流對轉子磁場的影響可忽略不計。在結構上，它相當于一種多極對數(shù)的交流永磁同步電機。由于輸入是三相正弦電流，因此產生的空間磁場呈圓形分布，而且可以用永磁式同步電機的結構模型(圖1)分析三相混合式步進電機的轉矩特性。

　　a.電機定子三相繞組完全對稱;

　　b.磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計;

　　c.激磁電流無動態(tài)響應過程;

　　圖1 三相永磁同步電機的簡單結構模型

　　U、V、W 為定子上的3 個線圈繞組，3 個線圈繞組的軸線成 120°。電機單相繞組通電的時候，穩(wěn)態(tài)轉矩可以表達為：T=f(i,theta) 。其中，i 為繞組中通過的電流;theta為電機轉子偏離參考點的角度。

　　即：T=k *I*sin(theta)，k 為轉矩常數(shù)

　　若理想的電流源以恒幅值為I，即：

　　iU=I*sin(wt)

　　iV=I*sin(wt+2*PI/3)

　　iW =I*sin(wt+4*PI/3)

　　則電機各相電流產生的穩(wěn)態(tài)轉矩為：

　　TU=k*I*sin(wt)*sin(theta)

　　TV=k*I*sin(wt+2*PI/3)*sin(theta+2*PI/3)

　　TW=k*I*sin(wt+4*PI/3)*sin(theta+4*PI/3)

　　穩(wěn)態(tài)運行時，theta=wt，則三相繞組產生的合成轉矩為：

　　T=TU+TV+TW=3/2*k*I*sin(PI/2-wt+theta)=3/2*k*I

　　以上分析表明，對于三相永磁同步電機，當三相繞組輸入相差 120°的正弦電流時，由于在內部產生圓形旋轉磁場，電機的輸出轉矩為恒值。因此，將交流伺服控制原理應用到三相混合式步進電機驅動系統(tǒng)中，輸入的220V 交流，經(jīng)整流后變?yōu)橹绷?，再?jīng)脈寬調制技術變?yōu)槿冯A梯式正弦波形電流，它們按固定時序分別流過三路繞組，通過改變驅動器輸出正弦電流的頻率來改變電機轉速，輸出的階梯數(shù)確定了每步轉過的角度，當角度越小的時候，其階梯數(shù)就越多。當然，步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢，頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。

　　。

　　圖2 給出相差120°的三相階梯式正弦電流

　　三相混合式步進電機一般把三相繞組連接成星形或者三角形，按照電路基本定理，三相電流之和為零。即IU+IV+IW =0 。所以通常只需產生兩相繞組的給定信號，第三相繞組的給定信號可由其它兩相求得。同樣，只需要對相應兩相繞組的實際電流進行采樣，第三相繞組的實際電流可根據(jù)式求得。

　　3、三相混合式步進電機驅動器的系統(tǒng)構成

　　圖3 驅動器的整體框圖

　　3.1 DSP模塊設計

　　在這里，我們選擇了TI公司的DSP作為CPU芯片，DSP(Digital Signal Processor)是一種通過使用數(shù)學技巧執(zhí)行轉換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。本文選用的DSP(TMS320LF2407A)是一款電機控制專用芯片，144引腳，具有豐富的IO資源，含有四個通用定時器，具有兩路專用于控制三相電機的PWM發(fā)生器，另外還有專用接收外部脈沖和方向的I/O口。

　　DSP輸入信號包括步進脈沖信號CP、方向控制信號、脫機信號，過流保護信號。這幾種信號均通過高速光耦連接到DSP的引腳上，另外還有細分步數(shù)及電流選擇信號。當脫機信號為有效時，驅動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉子處于自由狀態(tài)(脫機狀態(tài))。反饋電流通過DSP自帶的的10 位模數(shù)轉換器(AD)采樣，反饋的電流通過一定的算法后，由DSP自帶的PWM口輸出控制電機。

　　3.2 電流追蹤型回路

　　這種傳輸方式以模擬電壓的幅值代表采樣電流或者電壓的大小，其主要用來采樣a，b兩相電流及母線電壓檢測，實現(xiàn)電機電流控制以及過壓、欠壓、過流保護。驅動器通過采樣電阻檢測步進電機繞組的實際電流，與設定電流相比較后經(jīng)過滯環(huán)比較器調節(jié)器，調節(jié)器輸出信號由20KHz 頻率的三角波載波輸出，形成脈寬調制信號(PWM)，通過功率驅動接口電路來控制大功率半導體器件的導通與關斷，使步進電機的繞組實際電流跟蹤給定參考信號，按給定的正弦規(guī)律變化。

　　3.3 功率驅動電路

　　整流濾波電路構成直流電壓源，完成220V、50Hz 交流電源到直流電源的變換。逆變器實現(xiàn)從直流電到變頻變壓交流電的轉換，為三相混合式步進電機的定子繞組提供要求的交流電流。逆變器由六只G30N60B3DMOS管組成，構成三相逆變橋。

　　功率驅動電路的核心是功率模塊(MOS管)。MOS管與電流追蹤型PWM 輸出之間必須通過專用高速光耦連接。根據(jù)MOS管的過流值和電機峰值線電流來選用合適的MOS管。本設計中電機最大相電流為8.1A，該電流是相電流的有效值，峰值相電流為8.1* sqrt(2) = 11.312A 。此外，電機繞組在三角形接法時，線電流是相電流的3 倍，所以線電流峰值為19.6A。由G30N60B3DPDF文檔知，其最大流值為30A，但是正常工作要求適當?shù)纳嵩O計保證內部結溫永遠小于150攝氏度，因此要外加散熱器并強制風冷，以保證MOS管正常工作。

　　3.4 并口通訊

　　為了避免在控制過程中停電或者其它特別原因掉電時造成損失，使用帶電RAM存儲電機位置，保證來電后工件可繼續(xù)完成加工。并口RAM比傳統(tǒng)使用的E2ROM速度傳輸更快更可靠，可更有效的記錄電機運行狀態(tài)。

　　3.5 控制軟件流程

　　圖4 主程序流程圖

　　圖5 中斷部分的流程圖

　　4、 結論

　　實驗證明了文中提到的驅動方法有著很強的適應性，可以適應大多數(shù)的三相混合式不進機。特別對三相繞組星形接法，低頻時運行平穩(wěn)，無振蕩，有效地抑制了振蕩、噪聲。而且在驅動里里面還設計有多種保護驅動的電路，讓整個驅動在安全的環(huán)境下工作，這樣可以使驅動的功能發(fā)揮到極限，可靠性有了很大的提高。