步进电动机的角度细分控制

3.5.1 角度细分控制原理

角度细分控制又称为微步距控制，是步进电动机开环控制的新技术之一。所谓细分控制，

就是把步进电机的步距角减小 （减小到几个角分）， 把原来的一步再细分成若干步 （如 100 步），

这样，步进电机的运动近似地变为匀速运动，并能使它在任何位置停步。

为了说明细分控制的原理，我们首先回顾一下三相反应式步进电动机的工作原理。

如果控制绕组按  A→B→C→A……的顺序轮流通电，每次通电、断电时，定子合成磁动 势向量在空间转过  120°电角度，步进电动机的转子则在定子合成磁动势的作用下步进旋转，

每步转过一个步距角（120°电角度）。

如果按  A→AB→B→BC→C→CA→A……的顺序轮流通电，每次通电、断电时，定子合 成磁动势向量在空间转过 60°电角度，步进电动机的转子则在定子合成磁动势的作用下步进旋 转，每步转过 60°电角度。三拍和六拍通电时的磁动势旋转情况分别如图 3­31（a）和图 3­31 

（b）所示，注意相绕组的磁动势大小与该相绕组的电流成正比。

（a）三拍通电 （b）六拍通电

图 3­31  三拍和六拍通电时的磁动势旋转情况

可见步进电机控制中已蕴含了细分的机理，即如果每拍通电使定子合成磁动势在空间转 动的角度减半，则步进电机的步距角减半。

在六拍通电方式下， 如果要将每一步细分为 4 步完成， 则合成磁动势的旋转情况如图 3­32  所示。由图可见，当由 A 相通电切换为 AB 相通电时，只要使 B 相电流不是由 0 突变为额定 值，而是分为  4  步，每步增加  1/4，则切换过程中合成磁动势旋转角为原来的  1/4。同样当由  AB 相通电切换为 B 相通电时，只要使 A 相电流不是由额定值突变为 0，而是分为 4 步，每步 减小  1/4，则切换过程中合成磁动势旋转角也为原来的  1/4。即如果要把每一步细分为  4 步完 成，只需将相电流分为 4 个台阶投入或切除即可。步距角细分时，电流波形如图 3­33 所示。

一般地，如果使绕组中电流的波形是一个分成 N 个台阶的阶梯波（N 为正整数），则电流 每升或降一个台阶时，转子转过一小步。当转子按照这样的规律转过  N  小步时，相当于它转 过一个步距角。这就是角度细分控制的原理。

（a）A®AB  （b）AB®B  图 3­32  细分时合成磁动势的旋转情况

图 3­33  三相六拍 4 细分各相电流波形

细分控制使实际步距角减小，可以大大地提高对执行机构的控制精度。同时，也可以减 小或消除振荡，降低噪声，并抑制转矩波动。目前，采用细分技术已经可以将原步距角细分 成数百份。

3.5.2 角度细分控制的电路实现

角度细分控制的关键是控制相绕组电流为阶梯波。获得阶梯形电流波有两种方法，一是 使晶体管工作在放大状态，在基极加阶梯波控制电压，利用基极电流和集电极电流成正比的 关系，组成简单的细分驱动电路，这种方法电路简单，但功放管工作在放大状态，功耗大，

效率低；另一种方法是利用微型计算机数字控制技术，采用数字 PWM 控制的方法获得阶梯形 电流，这是目前常用的方法。下面我们介绍一种典型的恒频斩波细分电路。

恒频斩波细分驱动控制实际上是斩波恒流驱动电路的改进。在斩波恒流驱动电路中，绕

组中电流的大小取决于比较器的给定电压，在工作中，这个给定电压是一个恒定值。现在用 一个阶梯电压来代替这个给定电压，就可以得到阶梯形电流波。

恒频斩波细分驱动电路如图 3­34 所示， 单片机是控制主体， 它通过定时器 T0 输出 20 kHz  的方波，送到 D 触发器，作为恒频信号。同时，单片机将阶梯电压的数字信号输出到 D/A 转 换器，作为控制信号。阶梯电压的每一次变化都使转子走一细分步。

图 3­34  恒频斩波细分驱动电路

恒频斩波细分电路工作原理如下：当  D/A  转换器的输出电压  ua 不变时，恒频信号  CLK  的上升沿使 D 触发器输出 u_b 为高电平，使开关管 VT1、VT2 导通，绕组中的电流上升，取样 电阻 R2 上压降增加，当这个压降大于 ua 时，比较器输出低电平，使 D 触发器的输出 ub 为低 电平，VT1、VT2 截止，绕组的电流下降。当  R2 上的压降小于  u_a 时，比较器输出高电平，D  触发器又输出高电平，VT1、VT2 导通，绕组中的电流重新上升。这样的过程反复进行，使绕 组电流波形为锯齿波。因为 CLK 脉冲的频率较高，锯齿形波纹会很小。恒频脉冲 CLK、阶梯 波给定电压 u_a、VT1 的控制电压 u_b 和绕组电流 i 的波形示意图如图 3­35 所示。

图 3­35  恒频斩波细分驱动的电流波形

3.5.3 细分控制专用集成电路

目前，半导体厂商开发并生产了多种细分控制专用集成电路，可用于步进电动机角度细 分控制，如  SGS­THOMSON  公司的双极性两相步进电动机细分控制驱动单片集成电路  L6217/L6217A、Intel Motion 公司的两相步进电动机细分控制器 IM2000、IXYS 公司的高性能 双 PWM 步进电动机细分控制器 IXMS150、东芝公司的步进电动机细分控制器 TA7289 等。

下面以 L6217A 为例，说明细分控制专用集成电路的应用。 

L6217A 的电路原理图如图 3­36 所示。它以 PWM 方式控制各相电流的幅值和方向。电流 的方向指令通过引脚 PH 输入芯片，PH 为高电平时，电流为正方向；PH 为低电平时，电流为 反方向。电流的幅值指令则是由微机输入其并行数据口 D0～D6 的 7 位二进制数，经内部两个  D/A 转换电路得到。芯片内两个 H  桥的输出接步进电动机的两相绕组。H  桥经外接的电流采 样电阻接地，从而得到相电流反馈信号。引脚 A/

B

图 3­36    L6217A 电路原理图

在电机运行中，L6217A 芯片使 H 桥按电流方向指令开通相应的桥臂，电动机绕组电流上 升。同时，芯片内的比较器将指令电流信号和反馈电流信号进行比较，当电动机绕组电流到 达预定数值时，比较器翻转，触发芯片内的单稳电路，使单稳电路关断一定时间，关断时间 由引脚 PTA、PTB 外接的 RC 值决定。在单稳关断期间，H 桥的上桥臂关断，而下桥臂仍然导 通，绕组电流通过续流二极管续流，绕组电流下降。当下一个 PWM 脉冲到来后，单稳电路恢 复到原状态，H 桥中相应的桥臂重新开通，电动机绕组电流又开始上升。如此反复，使绕组电 流维持在指令值附近。

使用单片  L6217A 可实现最大达 26V、0.4A 的两相混合式步进电动机双极性电流斩波细 分控制，其典型应用电路如图 3­37 所示。通过外接大功率 H 桥电路，还可以驱动更大功率的 步进电动机。

图 3­37    L6217A 典型应用电路