五相混合式步进电动机驱动技术研究

    步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械位移（角位移和线位移）的机电执行元件。它的机械位移与输入的数字脉冲有着严格的对应关系，数字脉冲输入越多，位移越大；输入脉冲的频率越高，机械位移速度就越快。步进电动机系统的性能除了与电动机本身的性能有关外，在很大程度上取决于使用的驱动器的驱动方式。五相混合式步进电动机是步进电动机的主要产品之一，在各领域获得广泛应用，下面就其驱动器用到的驱动技术作一介绍。

1　恒流斩波控制
　　这种驱动技术的特点是直流供电电压直接加到逆变桥上，且电压不变化。其基本思想是利用绕组电流检测值（相电流或线电流，取决于是五相全桥还是五相半桥驱动）与给定值比较，结果去控制桥臂上功率管的开关，使绕组电流保持给定值。电流控制常采用恒频斩波控制。这种技术的优点是：步进电机高频运行性能好、系统动态响应快、效率高、电机带载能力强：缺点是低速运行时绕组电流前沿太陡致使电机低频运行效果差，有明显的低频震动。

2　恒总电流调频调压驱动
　　图1是这种技术的供电主电路。其特点是加到逆变桥上的直流电压不是固定的，随输入脉冲频率而变化，升频时升压。总电流的恒定通过电压变换器斩波管的PWM控制来实现。步进电机低速运行时，电机绕组的旋转反电压很小，通过电流反馈，电压变换器输出到逆变桥上的直流电压自动降低，维持总电流恒定。电压降低使电机绕组电流前沿变缓，减小了步进电机 单步运行的过冲量和低频振荡，提高了低速运行的平稳性。缺点是电源主电路的惯性滤波环节降低了系统 的动态性能和步进电机的起动频率。 


3　电流开环式PWM升频升压驱动
　　该方法的电源主电路如图2所示，该驱动方式也是采用升频升压控制技术来降低电机低频运行时的振动，但在控制形式上与恒总电流升频升压驱动技术有很大不同，一是电流开环；二是电压变换器斩波管用与步进电动机输入脉冲频率成一定函数关系的PWM脉冲来控制，以实现逆变桥直流电压／频率的协调控制。技术应用上要注意的是：因电流开环，逆变桥直流电压／频率的协调控制是以限制步进电机绕组电流不超过其额定值为原则。用该方法实现的驱动器特点是：步进电机低速运行时逆变桥直流电压很小，电机运行相当平稳；另外，因无电流反馈环节，系统结构相对简化。不足是：针对不同规格型号、不同厂家的步进电机，驱动器逆变桥直流电压／频率控制规律要调整，增加了具体使用的复杂性；由于电流开环，一方面电机绕组电流易受F／V和PWM电路中所用元件参数变化的影响，另一方面步进电机低速运行时逆变桥上的直流电压很小使得电机的快速响应性能下降。 


4　升频升压结合恒流控制技术
　　这种方法是近年出现的，它综合恒流斩波控制和电流开环式PWM升频升压驱动技术的优点，将电流控制技术与升频升压技术有机结合在一起。图3是该方法的原理框图，它由F／V、电压检测、比例积分调节（PID）、直流斩波构成闭环的升频升压控制环节；由电流检测和电流控制构成电流控制环节，并在一定频率范围内使电机绕组电流随电机运行速度提高而提高，实现升频升流控制以改善步进电机高频运行性能。该控制方法的桥路直流电压／频率函数关系与单纯的电流开环式升频升压驱动控制技术不同的是：该函数关系不再是由限制绕组电流的幅值来确定，而是根据对电机快速性要求和对电机运行平稳性的考虑折衷确定。系统优点是：闭环的升频升压控制，电机低频运行平稳的同时消除了外界环境（如电网电压）对驱动器输出的影响；电流闭环升频升流控制，提高了驱动器的快 速性能和对电机的适应性。 


5　新五边形绕组联接的恒流斩波恒总电流驱动技术
　　这种方法zui大的特点不在于驱动技术本身，在于电机绕组采用了新的五边形联接。减小步进电机电磁转矩的谐波分量或增加系统的阻尼是消除或抑制步进电机振荡的两个根本。电机绕组采用不同联接方式，它的电磁阻尼特性会产生相应变化［1］。正是基于这一研究，文献［2］提出了五相绕组按A→C→E→B→D首尾串联的新五边形驱动方式。传统的A→B→C→D→E首尾串联五边形联接，在不考虑绕组互感的情况下，各相绕组电流是独立的，而新五边形联接的五相绕组电流相互关联，能产生较大的电磁阻尼力矩，电机在整个运行频率范围内没有振荡区［2］，优良的运行平稳性是新五边形联接驱动的zui大优点。

6　细分驱动技术
　　细分驱动技术是将步进电机的一个步距角细分成若干步，步进电动机系统因此可获得更高的分辨率，更小的脉冲当量，同时可明显减小或消除步进电机的低频振动和噪声。五相步进电机相数多，对其实现细分（或任意细分）驱动，电路实现上较复杂，目前在国内还没有看到这方面技术的应用报道，国外已有了产品，如日本RORZE公司的RD－053MS（zui大细分数达400，对应zui小细分步距角为0．0018°），TAMAGAWA公司的AU9116和AU9151。细分驱动技术是一种步进电机相电流波形控制技术。步进电机步距角任意细分的实现，需在电机内建立均匀的圆形旋转磁场，各相绕组的合成磁势矢量应在空间作幅值恒定的旋转运动，就五相步进电机来说，需在其五相绕组中分别通以相位上相差2π／5而幅值相同的正弦电流。采用电流控制技术实现细分驱动是步进驱动系统的一个发展方向。