新型二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)
王宗培 程 智（哈爾濱工業(yè)大學(xué)150001）
任 雷（清華大學(xué)）
摘 要 介紹電流型驅(qū)動(dòng)的二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，它可同時(shí)具有與五相電動(dòng)機(jī)一樣的分辨率。采用不等齒距的設(shè)計(jì)，減小二相電動(dòng)機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩，提高其運(yùn)行性能。采用控制的方法，提高二相電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性。
敘 詞 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電流型驅(qū)動(dòng)器電流波形控制
1引 言
近30年，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)迅速發(fā)展擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，確立了在開(kāi)環(huán)高分辨率定位系統(tǒng)中應(yīng)
用的不可替代的地位[1]，并且在眾多的結(jié)構(gòu)類(lèi)型中發(fā)展成以二相和五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)為主流的格局。與二相電動(dòng)機(jī)相比，五相電動(dòng)機(jī)具有分辨率高、起動(dòng)頻率高、運(yùn)行頻域?qū)�、運(yùn)行平穩(wěn)性好、定位轉(zhuǎn)矩小等優(yōu)勢(shì)。但是，二相電動(dòng)機(jī)由于相數(shù)少，驅(qū)動(dòng)器成本明顯的低，所以只要二相電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能能滿(mǎn)足要求，寧愿采用二相電動(dòng)機(jī)�？梢�(jiàn)二相混合式進(jìn)電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用****、生產(chǎn)量****的產(chǎn)品類(lèi)型，要求較高的場(chǎng)合則采用五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
按照傳統(tǒng)的觀念，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器對(duì)相繞組的電流作通斷控制，二相電動(dòng)機(jī)可以4狀態(tài)和8狀態(tài)通電方式運(yùn)行，五相電動(dòng)機(jī)則可以10狀態(tài)和20狀態(tài)通電方式運(yùn)行。五相電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的優(yōu)勢(shì)主要是由于相數(shù)較多、通電狀態(tài)數(shù)增多的緣故。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電流型驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，突破了對(duì)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(dòng)機(jī)相電流的波形為正弦階梯波，若一個(gè)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(dòng)機(jī)的每轉(zhuǎn)步數(shù)：
與標(biāo)準(zhǔn)的五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)半步運(yùn)行方式時(shí)相同。
采用新型電流型驅(qū)動(dòng)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(shuō)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。本文對(duì)這種電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能作了全面的研究和改善，使它達(dá)到確實(shí)可以取代五相混合式電動(dòng)機(jī)的水平。
2二相電流型驅(qū)動(dòng)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(duì)所需細(xì)分?jǐn)?shù)不多的情況，采用由電阻網(wǎng)絡(luò)分壓，由模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇的方式來(lái)產(chǎn)生參考電流波形。對(duì)于20狀態(tài)時(shí)，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(duì)稱(chēng)性易見(jiàn)這六種波形系數(shù)組合；對(duì)于10狀態(tài)運(yùn)行，可取與20扶態(tài)時(shí)相比，其波形系數(shù)組合，均在20狀態(tài)范疇之內(nèi)。此外，對(duì)于4狀態(tài)、8狀態(tài)（即二相電動(dòng)機(jī)整步、半步運(yùn)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(shí)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(gè)電阻組成串聯(lián)分壓網(wǎng)絡(luò)可得到所需的波形系數(shù)值，通過(guò)兩個(gè)多路模擬開(kāi)關(guān)并配合以波形系數(shù)選擇信號(hào)即可方便地實(shí)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(hào)參與輔助控制，完成對(duì)全h橋?qū)▽?duì)角線(xiàn)的選擇。
上述的極性控制方式比單純地以一個(gè)符號(hào)（或極性）控制信號(hào)完成雙極性控制具有一個(gè)較突出的優(yōu)點(diǎn)，即當(dāng)某相電流設(shè)定為零時(shí)，對(duì)于前述控制方式，由于有環(huán)分訊號(hào)參與控制，此時(shí)全h橋兩對(duì)角線(xiàn)均截止，而對(duì)于后者則不然，仍需將實(shí)現(xiàn)電流與零參考電流訊號(hào)進(jìn)行比較控制來(lái)達(dá)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(dòng)系統(tǒng)原理性示意圖，對(duì)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(jì)數(shù)器為- 40進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，配合以2位狀態(tài)數(shù)選擇信號(hào)，與eprom組成環(huán)形分配器并發(fā)出 |
