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林 波，李興根
(浙江大學，浙江杭州 310027)
摘要：提出軟硬件結合的數字模擬控制技術實現電流追蹤型混合式步進電機SPWM微步驅動，使混合式步進電機各相電流接近正弦波，以得到準同步交流電動機的圓形旋轉磁場，大大削除了步進工況，同時使該驅動電源能運
用于數字伺服調速系統，
關鍵詞：SPWM步進電機、微步驅動
中圖分類號；TM301.2 文獻標識碼：A 文章編號：1001-6848(2000)03-0016-03
1引 言
步進電機在工業控制的各方面應用十分廣泛，其主要優點是開環運行的機制獲得了接近閉環的良好性能。但在控制要求高的場合卻只能用帶位置閉環的直流電機，系統成本大大增加。
理論上，只要將一個整步無限細分便可看作是連續運行。實際上受元器件的限制，雖不能完全連續運行，當微步數足夠大時，便能滿足精度要求。本文實現的微步驅動方法具育簡潔、可變、普適性及推廣的價值。
2原理
以二相混合式步進電機為例，先介紹轉矩表達式和圓形旋轉磁場的形式。
如果忽略渦流和飽和效應等其他非線性因素，其力矩方程為。
為進行細分，可令相電流為。
J為額定電流，口為時間函數，其值為所要求的步進位置。空載時，轉子的平衡位置決定，可見平衡位置移動了a角，也就是需要的角位移。
兩相對稱繞組通入兩相對稱電流就能產生圓形旋轉磁場，這是因為由電流產生的磁密相量為：
A相和B相的磁密矢量和長度在整個時域內，且其方向是隨時間的變化在空間進行旋轉。
3系 統
整個系統主要由微步信號發生環節，線性PWM斬波環節，自舉驅動環節，全H橋主回路4部分構成。
3.1參考波形數據產生
先用C或MATLAB等語言對正弦波進行3600N微步角庋均分，即需要多少微步就把3600均分成多少個采樣點，算出各采樣點的正弦值，然后對
得到的浮點數進行2進制量化處理，針對8位DlA轉換得到2進制偏移量，將此數據輸入EPROM，這樣數據處理工作即完成。
以8微步為例，圖1中參考波形之間有900的相位差，由于全H橋對橋導通的要求，本系統巧妙地對每相參考波形值分三類作了兩種控制狀態的同步控制標記位，即大于零的點標為0，等于零的點標為1，小于零的點標為1，控制標記O表示該相導通，1表示該相截止，這些標記和參考波形值分放在不同的EPROM中，但它們一一對應地存放在相同的地址下，以便同步可逆計數器按地址同步選出。該控制標記用來控制TL494的死區端，從而控制PWM信號的輸出。這樣處理的好處有兩點，一是控制標記和參考波形的輸出是同步的，二是每相信號都有天然的橋臂互鎖時間，即參考波形的零值所對應的標記1，為1時關斷橋臂，避免了直通現象。參考波形相位見圖1。
3.2微步信號發生環節
同步可逆計數器由兩片CD4516級連而成，二者共受同一個清零信號控制，以便周期循環可變進制計數，高位計數器的CP脈沖由低位計數器的進位輸出送入。8位數據輸出線可尋址256個單元，27C64有很多頁，這里用了4頁，存放4檔微步參考波形值，即8、32、64、128微步4種，頁的尋址由高位地址線來完成。
3片EPROM分別存放A相，B相，控制標記。其中控制標記EPROM的DO，Dl輸出A和-A相通斷信號，D4，D5輸出B和-B相通斷信號，D7送出清零信號。控制標記EPROM見圖2。
A相和B相EPROM的8位輸出送入DAC0832進行數模轉換，DAC0832的參考電平由精密基準電壓源送入。由于DAC0832是電流型輸
出，所以要用運放轉化為電壓型輸出，此處用高精度，低飄移的OP07。綜合后面電流反饋信號是正電平，而DAC0832是反極性輸出，故參考電平應為負電平輸入才能得到正確的參考波形，參考電平不能太低，否則會影響輸出波形質量。DAC0832數模轉換器見圖3。
從DAC0832出來的階梯正弦波為單一的正半波，這不會影響后級驅動，因為極性控制是由控制標記EPROM來完成。控制標記EPROM出來的信號是+5v的電平，需要轉化為+15V，這可以用普通高頻三極管來實現。
3.3線性SPWM斬波環節
斬波由線性PWM集成塊TL494執衍，此處用了單端射極輸出，5腳，6腳分別接電容和電阻以產生鋸齒波，其中誤差放大器2閑置不用。誤差放大器1的2腳接參考波形，1腳接采樣電阻的反饋信號，2腳與3腳之間接RC網絡用來控制PWM的動作快慢和對電流閉環反饋系統零極點進行補償，其取值與電機內部參數有關，而且不能太大，否則PWM動作過快會引起電流出現異常尖峰；也不能太小，否則PWM動作過慢會失去微步切換的跟隨程度。故此網絡取值很重要。4腳接各相控制標記行信號，當為1時關斷PWM輸出，為0時讓PWM信號通行。線性PWM集成塊TL494功能圖見圖4。
3.4 自舉驅動環節
PWM信號通過具有自舉功能的MOSFET驅動芯片IR2110的上通道送入全H橋的上橋臂，進行下橋導通、上橋斬波的工作過程。IR2110是國際
整流器公司的產品，有兩個完全獨立的高保真輸入輸出通道，且兩個通道有開通慢、關斷快的防橋臂直通的互鎖功能，加上原有的互鎖控制信號，使得主電路工作更為可靠。IR2110的典型接法見圖5。
IR2110的上通道輸出級的工作電源是一懸浮電源，這是通過一種自舉技術由固定的電源得來的。充電二極管的耐壓能力必須大于高壓母線的峰值電壓，推薦采用一個快恢復的二極管。自舉電容C1的值對于5kHz以上的開關頻率取0.lvF即可。應用中應在Vcc,和COM間，VDD和VSS間連接兩個旁路電容，這兩個電容及VB和VS間的儲能電容都要與器件就近連接。建議VCC上的旁路電容用一個0. 1pLF的陶瓷電容和一個lt.eF的鉭電容并聯，而邏輯電源VDD上有一個O.lVF的陶瓷電容已足夠了。每個MOSFET應分別連接到IR 2110的2腳和5腳作為柵極驅動信號的反饋。串入一個柵極電阻可以消除振蕩。
3.5主電路
主電路中采樣電阻的放置很講究。由于工作過程務為導通、續流、抑制三個過程，若要保持良好的電流追蹤性，要求反饋信號實時地反映電流變化的狀況，將采樣電阻放入續流回路將有這方面的益處。主電路見圖6。
續流可分為有源和無源兩種。若用無源續流，則由于電機電感和電阻參數變化較大，如果續流回路的時間常數很大，電流的下降很慢，對微步運行的電流下降期間極為不利。無源續流是由于上橋斬波，下橋導通引起的，故斬單橋臂只對低頻等要求不高的場合有應用價值。
為了改善無源續流時電流下降過慢的情況，可以采用有源續流，即同時斬雙橋。上下橋同時截止時，將發生有源抑制，迫使繞組中的電流快速下降，從而基本跟隨設定的電流波形，使得電機在低中頻段都能進行微步運行。
在有源續流時，由于MOSFET中的寄生二極管的存在，使得續流電流在地點分為兩路，一路即所希望的通過快復二極管續流，見回路1，但另一路則反向通過采樣電阻和寄生二極管續流，見回路2，使得采樣電阻上出現負值電流，其幅值較大時會引起單電源工作的TL494工作不正常。相應的措施有主動防止和被動防止兩種。主動防止可在下橋MOSFET的漏極和電感之間反向串入一個快復二極管，性能參數均與續流快復二極管一樣。這樣使礙寄生二極管無效，只留下快復二極管進行續流。被動防止則加入精密檢波環節，削去負值波形，同時不失真地保留原有的正值波形。
在有源續流時，用采樣電阻這種方式進行反饋有不足之處，它將連續電流波形分成了離散電流波形，而比較端的設定電流波形為連續信號。根據自動控制理論，此離散電流信號必須經過一個采樣保持器，將它轉化為連續信號后才能被送到比較端進行比較。具體器件可用LF398等采樣保持器。
4結論
研制的微步驅動器用于130BYG250型、8A每相、28Nm的二相混合式步進電機具有良好的調速和驅動性能。其它混合式步進電機的微步驅動可以運用本文的思想加以推廣。
參考文獻：
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作者簡介：林波（1975-），浙江桐廬人，浙江大學電機及控制專業碩士研究生，師從李興根副教授，主要研究方向為微特電機及控制．
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