摘 要 步進(jìn)機(jī)是一種能將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)成角位移或者線(xiàn)位移的執(zhí)行器件，廣泛應(yīng)用于數(shù)控設(shè)備中。本文對(duì)步進(jìn)機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)模式、電路結(jié)構(gòu)、操作原理進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞 電動(dòng)機(jī)；控制器；驅(qū)動(dòng)電路

中圖分類(lèi)號(hào) TM383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2012)052-0139-01

開(kāi)環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)存在一個(gè)主要的缺點(diǎn)，那就是在一定的速度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)變得振蕩和不穩(wěn)定。這篇論文提出了可以解決不穩(wěn)定性問(wèn)題的微步細(xì)分技術(shù)，并且同時(shí)提供了高精確性的細(xì)分技術(shù)應(yīng)用。這種技術(shù)提高了步進(jìn)電機(jī)的分辨能力，并且抑制了由于機(jī)械共振影響而產(chǎn)生的振蕩。這篇論文另一個(gè)關(guān)鍵的特色是控制器控制多路步進(jìn)電機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)（獨(dú)立自主的和/或者同步的）的能力。這在現(xiàn)代控制應(yīng)用領(lǐng)域中已經(jīng)大幅度增強(qiáng)了它的使用性。步進(jìn)電機(jī)控制器對(duì)于X-Y平臺(tái)的應(yīng)用就是其中的一個(gè)例子。平臺(tái)能夠非常精確的點(diǎn)到點(diǎn)執(zhí)行?；旧希竭M(jìn)電機(jī)控制器結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的IC步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用，這些IC如SGS L297和L2718。這些芯片能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)以整步和半步運(yùn)轉(zhuǎn)。本文描述了完成細(xì)分功能的控制器的技術(shù)，在這種控制器中整步被分成很小的中間微步。

1 驅(qū)動(dòng)電路

在步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用中，最需要考慮的重要事項(xiàng)之一就是設(shè)計(jì)匹配的驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能非常地依賴(lài)驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)需要開(kāi)關(guān)電流從一個(gè)定子繞組到另一個(gè)。這種開(kāi)關(guān)功能被驅(qū)動(dòng)電路提供，驅(qū)動(dòng)電路排列，分配和放大來(lái)自信號(hào)電路的脈沖序列。步進(jìn)電機(jī)的繞組以指定的次序被激勵(lì)。

集成電路的實(shí)用性已經(jīng)使得對(duì)于額定電流小于3安培的小型步進(jìn)電機(jī)使用分立元件構(gòu)造驅(qū)動(dòng)電路是不必要的。例如，SGS L7180與L7182對(duì)于單極性驅(qū)動(dòng)，和L293與L298對(duì)于雙極性驅(qū)動(dòng)，能夠很容易地使用在緊密的控制器里。

2 步進(jìn)模式

能夠從步進(jìn)電機(jī)獲得的位置分辨率，主要被步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造設(shè)計(jì)所限制。從最早的每個(gè)循環(huán)四步的步進(jìn)電機(jī)到現(xiàn)在的每個(gè)循環(huán)400步的步進(jìn)電機(jī)，在分辨率上已經(jīng)有了巨大的進(jìn)步。然而，對(duì)于高精密定位應(yīng)用，甚至這些位置分辨率都是不夠的。例如，目前正被用來(lái)生產(chǎn)電子集成電路的特定的設(shè)備，可能需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)正好控制到一步僅僅大約0.1微米。

既然步進(jìn)電機(jī)能夠產(chǎn)生最小的步是由它的機(jī)械設(shè)計(jì)(主要是在定子和動(dòng)子上的齒和電極的數(shù)量)所決定的，這種極限很快被達(dá)到，在那種地步，為了提高分辨率，必須使用其他方法來(lái)分割步距角。本文描述一種方式來(lái)完成分辨率的提高。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)的本質(zhì)是定子電流定時(shí)時(shí)序，通過(guò)適當(dāng)?shù)乜刂贫ㄗ与娏鞫〞r(shí)時(shí)序，步進(jìn)電機(jī)會(huì)以所需的定位分辨率被驅(qū)動(dòng)。

細(xì)分技術(shù)最重要的好處是提高了位置分辨率，其他的特點(diǎn)是減少了波紋轉(zhuǎn)距，尤其以低的電機(jī)速度運(yùn)行。通過(guò)細(xì)分技術(shù)，以高頻率脈沖速率和更小的步距角，使得失步被減少并且諧振也不被觸發(fā)。

3 電路結(jié)構(gòu)

對(duì)于多路應(yīng)用，譬如一個(gè)x-y平臺(tái)，對(duì)于每個(gè)步進(jìn)電機(jī)，一個(gè)控制器是必需。 控制器包括一個(gè)翻譯器，一個(gè)門(mén)開(kāi)關(guān)和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。 實(shí)施細(xì)分功能的結(jié)構(gòu)圖的低級(jí)部份包括一個(gè)加法器/減法器，一個(gè)并行輸入并行輸出的寄存器和一個(gè)帶有基準(zhǔn)電壓的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。像這樣使用運(yùn)算放大器，一個(gè)用于放大實(shí)際定子電流信號(hào)，另一個(gè)用于比較所需的電流值和實(shí)際的被測(cè)量的電流值。所需的電流從DAC獲得。基準(zhǔn)電壓決定了電機(jī)以持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)操作的定子電流的最大值。對(duì)于8位電腦控制，控制器理論上可以達(dá)到高達(dá)256細(xì)分。

4 操作原理

控制器包括一個(gè)步進(jìn)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器，本文中使用了L297驅(qū)動(dòng)器。這個(gè)L297驅(qū)動(dòng)器從微型計(jì)算機(jī)接受控制信號(hào)和提供所有必要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在本文中使用L297，其作用是產(chǎn)生微步要求的相位序列。對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，一個(gè)完整的步被劃分成更小的步，如一步之內(nèi)數(shù)微步。例如，我們以四微步作為例證。對(duì)于使用單極性驅(qū)動(dòng)的四個(gè)磁極的步進(jìn)電機(jī)定子電流相量。從相量0開(kāi)始在繞組AB中提供最大額定電流和在其他相位提供零電流。通過(guò)增加繞組CD中的定子點(diǎn)流到1，同時(shí)降低繞組AB中的電流到1，轉(zhuǎn)子位置會(huì)從開(kāi)始位置a轉(zhuǎn)到位置b。接下來(lái)，繞組CD里的電流進(jìn)一步增加到2’，然而繞組AB的電流減少到2’，則平衡位置將是c。同樣地，接下來(lái)的四分之一增加和減少電流將會(huì)是下一個(gè)平衡位置d。最后，在位置e，繞組CD有最大的額定電流，然而在繞組AB中沒(méi)有電流。如果整步被執(zhí)行了，轉(zhuǎn)子位置將直接從位置a走到位置e，跳過(guò)中間步。

除了電流流過(guò)繞組A’B’，在下一個(gè)象限中的操作是相似的。在這種情況下，繞組AB的電流翻轉(zhuǎn)，但是繞組CD的電流依然是同一方向；由繞組AB產(chǎn)生定子磁通量翻轉(zhuǎn)發(fā)生，和轉(zhuǎn)子制動(dòng)位置將會(huì)停留在位置f。通過(guò)持續(xù)的相等的增加和減少繞組電流，轉(zhuǎn)子最后將會(huì)到達(dá)位置i。這個(gè)過(guò)程繼續(xù)直到轉(zhuǎn)子回到位置a，并且完成一個(gè)周期循環(huán)。

使用相同的安排，任何數(shù)量的細(xì)分都可以被完成。對(duì)于給定的步進(jìn)電機(jī)，以上細(xì)分的限制可能來(lái)自于其他因素，如機(jī)械和電氣的約束。通過(guò)“三角形的樓梯”剖面描述了通過(guò)繞組的電流

波形。

當(dāng)繞組AB有最大電流時(shí)，繞組CD有零電流。電流自行調(diào)節(jié)直到另一個(gè)極端，那就是當(dāng)繞組AB沒(méi)有電流并且繞組CD有最大的

電流。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分的實(shí)施。這位控制器主要特點(diǎn)在于用來(lái)提供所給的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的高精度位置分辨率操作的靈活性。在改型一個(gè)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)馬達(dá)控制器到一個(gè)高精度位置分辨率控制器情況下，這里的技術(shù)看來(lái)是一個(gè)極好的方案。控制器是能夠以非常精確的分辨率同時(shí)地控制多路步進(jìn)

電機(jī)。

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