谈技术研究步进电机细分驱动制约技术

论文导读：
【摘要】步进电机作为一种新型的数字控制电机，能够通过一定的程序把电脉冲信号改变并转化为与之相对应的角度位移，这种控制机电能够进行最迅捷的启动或者是停止，且在运行过程中，惯性比较小，响应的频率很高，而且当停止运作时候能够具备自锁性能，由于步进电机的定位精确度很高，能够重复操作，整体误差较小，操作控制来相比很简单易掌握，是开环自动控制的不二之选。目前，在我国，步进电机广泛的运用到各种类型的自动控制系统中，为自动控制系统的突破和发展提供了强大的动力，因此，加强对步进电机细分驱动控制技术的研究具有十分可观的经济效益和社会效益。笔者将步进电机的系统工作原理做出简述，并对细分驱动方法和实现原理做出探究，最后结合单片机细分步距精度驱动和恒频脉宽调制细分驱动以及细分驱动的SPWM控制做出深入分析。
【关键词】步进电机，细化驱动控制，技术研究，单片机，恒频脉宽调制，SPWM控制
前言
步进电机早在上个世纪便开始出现，并开始逐步应用到各个领域中，发展到现在，步进电机已经在机械设备制造，仪表生产加工，自动化控制等方面取得了可喜的应用成果，对世界的工业自动化，智能化进程产生了深远的影响。步进电机在长时间的发展中，已经在精度上和工艺上日趋完善，更注重着性能的优化，目前而言，主要集中在高速运行中加速或者减速可以得到良好控制，改善步进电机的细分技术保持步进电机的准确性和稳定性，但是在目前的制造工艺中，步进电机依然存在着很多缺陷，比如工艺不完善，步距角显得比较大，振动的频率较低等，这些严重限制了步进电机功能的正常发挥。随着工业和科学技术的飞速发展，步进电机在各种自动化装置，仪表加工等高度精确的行业，自动精确定位，扫描等各方面越来越广泛的运用，也对步进电机的精确度和稳定性提出了更高的要求，因此，研究步进电机的细分驱动技术，有着十分重要的意义。
步进电机细分驱动控制原理和方法
步进电机细分原理
步进电机在进行运转工作中，最主要的是依靠励磁绕组之间因为特定性能产生旋转式的合磁场带动转子进行同步运动[ 智淑亚 宗存元 付香梅 步进电机细分驱动控制技术研究 [期刊论文] 《金陵科技学院学报》 -2008年1期]。在步进电机没有进行细分时候，合磁场会一种不变的角度运转，当励磁绕组在电流通过时候，会产生磁通量，控制好电流的方向实现对步进电机合磁场的控制，步进电机在细分的情形下，其工作时候可以实现对绕组电流大小进行精确的控制。

2.步进电机细控制方法

步进电机作为一种新型的数字控制电机，凝聚着及其复杂的专业知识和及其精湛的细分控制工艺，作为步进电机细分控制管理中最关键的环节，对步进电机的细分控制的方法有很多种，笔者将简单介绍其中最为常见的两种。
（一）等电流细分驱动法。细分驱动技术通过对相电流实施阶梯控制，让步进电机围绕在一个很小的角度运转，将电流均匀细化，也使得围绕的角度均分。
实现振动频率的降低。在这种方法下，在实际操作中必须要根据实际情况，结合步距角和相电流的关系曲线，对各相电流加以控制和修正，才能实现步进电机步距角的均匀细分。如图1，是将每相绕的电流进行了八细分，也就实现了灯电流细分驱动控制的目的。
（二）电流矢量恒幅均匀旋转法。通过用特定的方式来实现步进电机的内部合成磁场的参数恒定，保持磁场的运行方向一致性，或者是变化变化均匀，在现实的操控中，传统的全部依靠各种硬件来对步进电机实现细分驱动，实现恒力矩均匀细分控制具有很大的难度，随着科学技术的进步，单片步进电机控制系统出现，便可以很好的解决这一难题，并可以通过一定软件系统来实施数据储存，并输出细分电流的各种与控制相关的电流信号。
三．步进电机的细分驱动控制技术研究
经过多年的发展和研究，目前为止，关于步进电机的细分驱动控制取得了一系列的突破，各种步进电机的细分驱动控制技术不断出现，但从我国研究现状总体分析，主要有单片机细分步距精度驱动和恒频脉宽调制细分驱动两种控制方法运用最为广泛。自考论文www.7ctime.com
笔者将对这两种步进电机的细分驱动控制技术进行深入研究。
1．单片机细分步距精度驱动
在单片机细分步距精度驱动技术中，单片机是整个控制系统的中心，如图2即是系统结构图。单片机主要可以通过一定的组合程序产生步进电机运转必备的信号，也即是PWM细分信号，受到控制的步进电机的相数和拍数，细分倍数，运行频率，开启，停下等过程的运行所产生的各种曲线，运转的弧度和角度，加上相电流的大小都会通过键盘操作，并会在系统软件中显示出各种发生故障的种类，并将各种相关的数据比如相电流传输到上位机上[ 王晓峰 步进电机的细分驱动技术研究 [期刊论文] 《井冈山学院学报(自然科学版)》 -2007年5期]。
在单片机细分步距精度驱动技术中，信号的处理具有很重要地位，也具有独特专业的模块，这个模块分别由积分电路，触发器等相关的电子元器件和各种高端驱动电路组合而成，这种专业的模块，主要是用于从PWM中取出细分信号的直流分量，并对场效应管的开启和场效应管的闭合做出控制，通过这种途径实现对步进电机的电流，细分驱动实现控制。通过把单片机作为步进电机实现细分媒介，有效的解决实际操控中难以细分均匀的难题，通过采用细分波形，可以很大程度的实现控制目的，而且相比传统的细分方式而言，更容易操作，在这种方式下，只是通过简单的单极性方法调制，就可以完美是实现细分，很大程度上避免了因为操作过程复杂而带来的失误。
恒频脉宽调制细分驱动
步进电动机的细分控制方法，是通过控制步进电机各相绕组中的电流，使其按一定的规律阶梯上升或下降，从而获得从零到最大相电流之间的多个稳定的中间电流状态。恒频脉宽调制细分技术，采用可变细分控制原理产生阶梯波，而在恒流阶段采用定频脉宽调制，使其功率管工作在开关状态，这样既解决了可变细分功率管损耗大的问题，又避免了数字细分的脉宽调制波计算时间过长不易实现的问题[[3] 宋鸿飞 佟首峰 孟凡涛 宋延嵩 步进电机闭环细分驱动控制系统设计 [期刊论文] 《长春理工大学学报（自论文导读：语步进电机作为一种新型的数字控制电机，有着悠久的发展历史，虽然目前在制造工艺等方面依然存在着一些不足和缺陷，但从整体上来看，依然具有着很大的应用开发潜力，通过加强对步进电机的细分驱动控制技术研究，不断加强研究的科学性和严密性，不断提升步进电机的运行质量，采取科学合理的控制方法，使得步进电机更好的服务于各种
然科学版）》 ISTIC -2008年2期][3]。其原理框图如图3所示。
图中：Vref为阶梯波细分参考信号，y。为相序信号，PWM为脉宽调制信号，Vb为电流反馈信号，Vk为细分电路输出的控制信号[[4] 刘梦薇 基于RBF神经网络的步进电机驱动控制技术研究及FPGA实现 [学位论文]2010 - 湖北工业大学：电力电子与电力传动][4]。

3. 细分驱动的SPWM控制

在细分驱动的SPWM控制过程中，一般使用采用控制理论为指导，由于在整个控制过程中，冲量相等但是形状行有很大差异的狭窄脉冲，在一定的惯性条件下实施操作，组合控制，最后得到的结果差别不大，基本相同，如果将正弦波均匀等分成若干份，且将这些均与分布的正弦波看成宽度相等但是幅值有很大差异的若干个脉冲，再将这个序列脉冲用同样数量等幅值不等宽度，宽度与按正弦规律变化的脉冲代替，即SPWM。这种SPWM的脉冲可用单片机配合相应的控制电路来实现。通过无数次的实践操作和理论研究证明，在单片机源源不断的将细分并且已经量化好的控制电压信号传输出去的情况下，再同D／A转换后与三角波进行比较，形成脉宽调制信号加在步进电机的绕组上，实现细分驱动[[5] 顾瑞娟 王宇 张善从 基于FPGA的步进电机驱动控制系统设计 [期刊论文] 《计算机工程与设计》 PKU -2012年1期][5]。图4为SPWM波形成原理。由图4SPWM波形成原理图可以分析得出，脉宽调制式细分驱动电路的关键是脉宽调制，它的作用是将给定的电压信号调制成具有相应脉冲宽度的矩形波。只要锯齿波的线性很好，则输出的脉冲宽度和控制电压Uk，将成很好的线性关系。输出脉冲串的周期等于锯齿波的周期[[6] 花同 步进电机控制系统设计 [期刊论文] 《电子设计工程》 -2011年15期
][6]。
四．结束语
步进电机作为一种新型的数字控制电机，有着悠久的发展历史，虽然目前在制造工艺等方面依然存在着一些不足和缺陷，但从整体上来看，依然具有着很大的应用开发潜力，通过加强对步进电机的细分驱动控制技术研究，不断加强研究的科学性和严密性，不断提升步进电机的运行质量，采取科学合理的控制方法，使得步进电机更好的服务于各种高度自动化控制生产，各种高精密仪器的调试和航空工业的发展，在使得步进电机自身不断得到完善的同时，推进人力社会自动化和智能化进程。
参考文献：
智淑亚 宗存元 付香梅 步进电机细分驱动控制技术研究 [期刊论文] 《金陵科技学院学报》 -2008年1期
王晓峰 步进电机的细分驱动技术研究 [期刊论文] 《井冈山学院学报(自然科学版)》 -2007年5期
[3] 宋鸿飞 佟首峰 孟凡涛 宋延嵩 步进电机闭环细分驱动控制系统设计 [期刊论文] 《长春理工大学学报（自然科学版）》 ISTIC -2008年2期
[4] 刘梦薇 基于RBF神经网络的步进电机驱动控制技术研究及FPGA实现 [学位论文]2010 - 湖北工业大学：电力电子与电力传动
[5] 顾瑞娟 王宇 张善从 基于FPGA的步进电机驱动控制系统设计 [期刊论文] 《计算机工程与设计》 PKU -2012年1期
[6] 花同 步进电机控制系统设计 [期刊论文] 《电子设计工程》 -2011年15期