新型二相混合式步進電動機系統(tǒng)
王宗培 程 智（哈爾濱工業(yè)大學150001）
任 雷（清華大學）
摘 要 介紹電流型驅(qū)動的二相混合式步進電動機系統(tǒng)，它可同時具有與五相電動機一樣的分辨率。采用不等齒距的設計，減小二相電動機的定位轉(zhuǎn)矩，提高其運行性能。采用控制的方法，提高二相電動機系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性。
敘 詞 步進電動機電流型驅(qū)動器電流波形控制
1引 言
近30年，步進電動機迅速發(fā)展擴大應用領(lǐng)域，確立了在開環(huán)高分辨率定位系統(tǒng)中應
用的不可替代的地位[1]，并且在眾多的結(jié)構(gòu)類型中發(fā)展成以二相和五相混合式步進電動機系統(tǒng)為主流的格局。與二相電動機相比，五相電動機具有分辨率高、起動頻率高、運行頻域?qū)挕⑦\行平穩(wěn)性好、定位轉(zhuǎn)矩小等優(yōu)勢。但是，二相電動機由于相數(shù)少，驅(qū)動器成本明顯的低，所以只要二相電動機的運行性能能滿足要求，寧愿采用二相電動機。可見二相混合式進電動機是應用****、生產(chǎn)量****的產(chǎn)品類型，要求較高的場合則采用五相步進電動機。
按照傳統(tǒng)的觀念，步進電動機的驅(qū)動器對相繞組的電流作通斷控制，二相電動機可以4狀態(tài)和8狀態(tài)通電方式運行，五相電動機則可以10狀態(tài)和20狀態(tài)通電方式運行。五相電動機運行性能的優(yōu)勢主要是由于相數(shù)較多、通電狀態(tài)數(shù)增多的緣故。步進電動機電流型驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，突破了對相繞組僅作通斷控制的局限，能有效地控制相繞組的電流波形，也就突破了通電狀態(tài)數(shù)或分辨率受相數(shù)的限制。
讓二相電動機相電流的波形為正弦階梯波，若一個電流變化周期的階梯數(shù)為20，則它的通電狀態(tài)數(shù)便是m1=20，電動機的每轉(zhuǎn)步數(shù)：
與標準的五相混合式步進電動機半步運行方式時相同。
采用新型電流型驅(qū)動器，讓它的通電狀態(tài)數(shù)除整步和半步方式m1=4和8以外，還可以有m1=10和20，也就是說電動機的每轉(zhuǎn)步數(shù)有四種選擇，為n1=200、400、500、1 000。這就是本文介紹的新型二相混合式步進電動機系統(tǒng)。本文對這種電動機系統(tǒng)的性能作了全面的研究和改善，使它達到確實可以取代五相混合式電動機的水平。
2二相電流型驅(qū)動器
電流波形控制技術(shù)主要包括參考電流波形的產(chǎn)生及電流的控制兩大部分。參考電流一般采用微處理器或eprom+d/a的方式產(chǎn)生，而電流控制目前廣泛采用峰值電流型pwm控制方式。這里針對所需細分數(shù)不多的情況，采用由電阻網(wǎng)絡分壓，由模擬開關(guān)進行選擇的方式來產(chǎn)生參考電流波形。對于20狀態(tài)時，可取平衡位置，所需的兩相電流波形為平衡位置角的正弦和余弦為系數(shù)再乘以幅值得到。由于正弦、余弦函數(shù)各自的對稱性易見這六種波形系數(shù)組合；對于10狀態(tài)運行，可取與20扶態(tài)時相比，其波形系數(shù)組合，均在20狀態(tài)范疇之內(nèi)。此外，對于4狀態(tài)、8狀態(tài)（即二相電動機整步、半步運行方式）有平衡位置與20狀態(tài)相比，多增加波形系數(shù)組合sin45度，-cos45度實現(xiàn)4狀態(tài)、8狀態(tài)、10狀態(tài)、20狀態(tài)通電共需電流波形系數(shù)組合為七種，波形系數(shù)值為sin0度、sin18度、sin36度、sin54度、sin72度、sin90度及sin45度七種，用兩組6個電阻組成串聯(lián)分壓網(wǎng)絡可得到所需的波形系數(shù)值，通過兩個多路模擬開關(guān)并配合以波形系數(shù)選擇信號即可方便地實現(xiàn)所需的電流波形。至于電流的極性控制可由環(huán)分訊號參與輔助控制，完成對全h橋?qū)▽蔷�的選擇。
上述的極性控制方式比單純地以一個符號（或極性）控制信號完成雙極性控制具有一個較突出的優(yōu)點，即當某相電流設定為零時，對于前述控制方式，由于有環(huán)分訊號參與控制，此時全h橋兩對角線均截止，而對于后者則不然，仍需將實現(xiàn)電流與零參考電流訊號進行比較控制來達到零電流，由于比較器的零漂，往往容易造成不穩(wěn)定，影響步距精度。
圖1所示為二相電流型驅(qū)動系統(tǒng)原理性示意圖，對于20狀態(tài)、10狀態(tài)、8狀態(tài)、4狀態(tài)，其最小公倍數(shù)為40，因此計數(shù)器為- 40進制的計數(shù)器，配合以2位狀態(tài)數(shù)選擇信號，與eprom組成環(huán)形分配器并發(fā)出 |
