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   摘要：新興的計算機工業迅速將步進電機采用到外設應用當中。步進電機的主要優勢在于能提供開環位置控制，而成本只是需要反饋的伺服系統的幾分之一。通過分析步進電機幾種常見的驅動方式，并研究了步進電機驅動控制中的關鍵技術，認真學習了東芝公司的大功率步進電機驅動芯片THB6064H的相關資料，在充分考慮步進電機在節能燈流程控制中的具體要求的前提下，本文通過實驗仿真和應用實例，證明了該步進電機驅動方案簡單、準確，有效。

   關鍵詞：開環；位置控制；反饋；驅動

   1 引言

   在本系統中要求步進電機的運行速度要越快越好，要求步進電機在完成一次抓取節能燈管的時間控制在2秒以內，所以步進電機的運行速度直接影響到整個系統的效率。另外由于步進電機運行在工業現場，在系統中有六臺大功率的超聲波發生器，電源干擾比較嚴重，因此，步進電機的抗干擾能力也是保證步進電機正常穩定運行的一個重要環節[1]。傳統的步進電機驅動方法在成本、所占空間等方面無法滿足項目要求，而本設計可以方便地將兩種不同型號、不同驅動電流的驅動做到一個10cm×10cm的PCB電路板上，為整個設備節約了非常大的空間，同時最大程度上方便合理布線。

   2 步進電機驅動原理

   由于步進電機運行必須對電機繞組提供足夠的電壓和電流，由控制器提供的信號一般無法直接驅動，因此在控制器和電動機之間要加上驅動電路，對控制信號進行放大，使之為步進電動機提供足夠的電壓和電流。但是步進電動機的驅動與一般電子設備(如影視音響等)的驅動有不同的特點，主要體現在^[2]：

   （1）各相繞組都是斷續通電的。多數電動機繞組都是連續的交流或直流，而步進電動機各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續的而是斷續的。如兩相混合式步進電動機在兩相單雙四拍狀態工作是A-AB-B-A’B-A’-A’B’-B’-AB’，各相施加的電壓波形如圖1所示。
  
                     
         
                     圖1 兩相單雙四拍工作方式通電電壓波形  

   （2）電動機各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。繞組通電時電流上升率受到限制，因此會影響電動機繞組電流的大小。

   （3）繞組斷電時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結果使應該電流截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設計適當的續流回路。繞組導通和截止過程中都會產生較大的反電勢，而截止時的反電勢將對驅動級器件的安全產生十分有害的影響。

   （4）電動機運轉時在各相繞組中將產生旋轉電勢，這些電勢的大小和方向將對繞組電流產生很大的影響。由于旋轉電勢基本上與電動機轉速成正比，轉速越高，電勢越大，繞組電流越小，從而使電動機輸出轉矩也隨著轉速升高而下降。

    （5）電動機繞組中有電感電勢、互感電勢、旋轉電勢。這些電勢與外加電壓共同作用于功率器件。當其疊加結果使電動機繞組兩端電壓大大超過電源電壓時，使驅動級工作條件更為惡化。

   3 幾種常見的電機驅動方式

   步進電動機驅動系統的性能，除與電動機自身的性能有關之外，也在很大程度上取決于驅動控制器的優劣。因此，對步進電動機驅動器的研究幾乎是與對步進電動機的研究同步講行的[3]。常見的步進電機驅動方式有單電壓驅動，高低壓驅動，恒流斬波驅動控制方式。
           
                      
                   圖2 高低壓驅動的原理圖                 圖3 高低壓管輸入信號 

   3.1 高低壓驅動

    高低壓驅動的設計思想是在電機繞組導通相的前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。

   高低壓驅動的原理線路如圖2所示。圖中所示為每相的單元線路。主回路由高壓管TH、電動機繞組、低壓管TL串聯而成。UH加高壓，UL加低電壓。在每相導通期間，低壓管輸入信號IL與高壓管輸入信號IH如圖3所示。

    低壓管的輸入信號，即是由環形分配器輸出的該相導通信號，其脈寬由環分輸出決定，當IL為高電平時，該相導通；為低電平時，該相截止。高壓管的輸入信號IH是由IL信號的前沿獲得，IH的前沿與IL同步，但脈寬要比IL小得多。設IH的脈寬為tH，IL的脈寬為tL，在相繞組導通的過程中，在前沿開始的tH時間內，由于高低壓輸入信號同時有效，使高低壓管同時導通，繞組電流由高壓電源供給。此時，相繞組電流有很陡的前沿，并迅速形成上沖，當tH過后，高壓管轉為截止狀態，低壓電源開始供電，tL繼續處于導通狀態。由于繞組電阻很小，又不串電阻，所以低壓電源只需數伏就可以提供較大的電流。

   在tL時間后，繞組電流進入續流狀態，電流將經過DL，電動機繞組，DH泄放，磁場的能量將回饋給高壓電源。這樣達到了縮短泄放時間，又可節約電能的作用。快速的泄放有利于提高驅動系統的高頻響應。

   高低壓驅動可保證在很寬的頻段內相繞組有較大的平均電流，在截止時又能迅速泄放，因此能產生較大的且較穩定的電磁轉矩，因此驅動系統可得到較高的響應，高低壓驅動目前在實際中應用較多。

    由于這種驅動線路在低頻時繞組電流有較大的上沖，所以低頻時電動機振動噪聲較大，低頻共振現象仍然存在。

   3.2 恒流斬波驅動^[4]
  
                     

                                   圖4  斬波驅動原理圖

   圖4給出了恒流斬波驅動的電路原理圖。主回路由高壓晶體管、電動機繞組、低壓晶體管串聯而成。與高低壓驅動器不同的是，低壓管發射極串聯一個小的電阻接地，電動機繞組的電流經這個小電阻通地。小電阻的壓降與電動機繞組電流成正比，所以這個電阻稱為取樣電阻。IC1和IC2分別是兩個控制門，控制TH和TL兩個晶體管的導通和截止。由環形分配器來的相繞組導通脈沖，波形如圖5(a)所示，送到門IC2與IC1中，通過IC2直接開通晶體管TL，而門IC1除環形分配器來的信號之外，還有一路信號來自比較器。比較器的兩個輸入端，其中之一接給定電平，另一個接來自取樣電阻的電壓信號。在環形分配器導通脈沖到來之前，IC1和IC2都處于關門狀態，輸出低電平，TH和TL都截止，取樣電阻中無電流流過，反饋到比較器的輸入信號為零，比較器輸出高電平。
       
                      

                              圖5 各點波形圖  

    當環形分配器輸出導通信號時，高電平使門IC1和IC2打開，輸出高電平使TH和TL兩管導通，高電壓經TH向電動機繞組供電。由于電動機繞組有較大電感，所以電流成指數上升，但所加電壓較高，所以電流上升較快。取樣電阻上的電壓代表了電流的大小，當電流超過所設定值時，比較器輸入的取樣電壓超過給定電壓，比較器翻轉，輸出變低電平，從而IC1也輸出低電平，關斷高壓管TH。此時磁場能量將使繞組電流按原方向繼續流動，經由低壓管TL、取樣電阻、地線、二極管D1，構成的續流回路消耗磁場的能量。此時電流將按指數曲線衰減，逐漸下降。當取樣電阻上得到的電壓小于給定電壓時，比較器又翻轉回去，輸出高電平，打開高壓管，電源又開始向繞組供電，電流又會上升。如此反復，電動機繞組的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5(c)。

   當環形分配器輸出低電平時，高低壓管都截止，此時繞組的續流與高低壓時相同，經Dl、D2向電源泄放。泄放回路的特點與高低壓驅動時基本相同。

    斬波恒流驅動中，由于驅動電壓較高，電動機繞組回路又不串電阻，所以電流上升很快，當到達所需要的數值時，由于取樣電阻反饋控制作用，繞組電流可以恒定在確定的數值上，而且不隨電動機的轉速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內電動機都能輸出恒定的轉矩。

   斬波恒流驅動的特點是：高頻響應大大提高；輸出轉矩均勻；共振現象消除；線路較復雜。

   4 基于THB6064和THB7128的步進電機驅動器的設計

   4.1 大功率高細分兩相混合式步進電機芯片式驅動器THB6064H特性

   雙全橋MOSFET驅動低導通電阻導通Ron=0.4 Ω(上橋+下橋)；

   高耐壓 50VDC，大電流 4.5V（峰值）；

   多細分可選(1/2，1/8，1/10，1/16，1/20，1/32，1/40，1/64）；

   自動半流鎖定；

    衰減方式連續可調 ；

    內置溫度保護及過流保護。

    THB7128是THB6064H的升級版本，其驅動電流為3.3A和更大的細分數128。

    4.2 東芝公司的THB7 1 2 8 和THB6 0 6 4H采用的雙全橋MOSFET驅動
  
                    

                                 圖6 THB6064H的結構框圖  

   MOSFET由于其開關速度快、導通電阻低等優點在開關電源及電機驅動等應用中得到了廣泛應用。如圖6所示，圖中H-Bridgedriver A和H-Bridge driver B即是兩個全橋MOSFET驅動[5]橋，每個MOSFET驅動橋即為上文所論述的斬波恒流驅動不同的是采用MOS管代替上文論述中的晶體管。

    4.3 PCA功能模塊介紹

    STC12C5A16AD系列單片機^[6]有2路可編程計數器陣列PCA/PWM(通過AUXR1寄存器可以設置PCA/PWM從P1口切換到P4口）。PCA含有一個特殊的16位定時器，有2個16位的捕獲/比較模塊與之相連，如圖7所示。
  
              

                                圖7 PCA模塊結構  

    每個模塊可編程工作在4種模式下：上升/下降沿捕獲、軟件定時器、高速輸出或可調制脈沖輸出。本設計使用的是高速輸出模式，該模式的功能如圖8所示。
  
                     
 
                             圖8   PCA高速輸出模式  

    當PCA計數器的計數值與模塊捕獲寄存器的值相匹配時，PCA模塊的CCPn輸出將發生翻轉。要激活高速輸出模式，CCAPMn寄存器的TOGMATn和ECOMn位必須都置位。CCAPnL的值決定了PCA模塊n的輸出脈沖頻率。CCAPnL的值為CCAPnL= SYSclk / ( 4×f )。式中SYSclk為系統時鐘頻率，f為輸出脈沖的頻率。
   
                    

                            圖9 步進電機驅動硬件設計框圖  

    4.4 驅動方案的硬件設計

    本設計方案采用MCUSTC12C5A16AD的PCA模塊向驅動芯片THB7812和THB6064發送脈沖和方向信號，如圖9所示，然后驅動芯片通過OUTA1、OUTA2和OUTB1、OUTB2把放大后的電流加到步進電機的輸入端。自動化設備在工廠中使用，干擾是不可避免的，如何減少干擾，屏蔽干擾，是我們首要考慮的^[1]。電源是干擾步進電機控制系統的主要途徑之一，電源干擾主要是通過供電線路的阻抗耦合產生的。可以在控制系統的交流電源輸入端加接帶屏蔽層的隔離變壓器和低通濾波器，隔離變壓器可以抑制竄入的外來干擾，提高抗高頻共模干擾能力，屏蔽層應可靠地接地。圖10是該設計的和焊接完成的PCB驅動電路板。
  
                 
                            
                           
                             圖10 驅動板的外觀圖
   5 結語

   該驅動模塊設計方案經過電路板的設計，經過實驗室的模擬環境下測試，其速度和精確度以及溫度都達到設計要求，設計采用的梯形加速曲線，速度最快可以保證80KHz的情況下不丟步，由于在高速狀態下也不丟步，所以精確度也達到要求，溫度方面，實驗測的電機運行一天的情況下，57電機模塊的溫度是55℃，42電機模塊的溫度是52℃。實驗室成功實驗后，拿到工廠現場調試，在機械裝置（渦輪蝸桿傳動機構）精度滿足要求的時候，該驅動模塊的兩個電機控制均能達到控制要求。在低成本、低振動、小噪聲、高速度等方面效果較佳，說明了此設計方案的優越性。

   參考文獻

    [1] 趙志彬.步進電機的控制和抗干擾[J].山西電子技術,2006(4):27-29.

    [2] 傅忠偉.無紡布手腕焊帶機控制系統設計設計[D].廈門:廈門大學,2010.

    [3] 劉寶廷,程樹康等.步進電動機及其驅動控制系統[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1997.

    [4] 陳志聰.步進電機驅動控制技術及其應用設計研究[D], 廈門大學,2008

    [5]楊碧石.基于功率MOSFET模塊驅動電路的研究與實現[J].微特電機,2009(9):7-10

   [6] STC12C5A60S2系列單片機器件手冊[Z],2009.

   李素勛（1982-）

   男，山東兗州人，工學學士學位，現就職于廈門大學工業自動化研究所，主要從事檢測技術與自動化裝置方面的研究。   

    摘自《自動化博覽》2012年第二期