步進電機驅動器的關鍵技術分析

步進電機是一種將電脈沖信號轉換為角位移的執行機構。其主要優點是有較高的定位精度，無位置累積誤差；特有的開環運行機制，與閉環控制系統相比降低了系統成本，提高了可靠性，在數控領域得到了廣泛的應用。但是，步進電機在低速運行時的振動、噪聲大，在步進電機的自然振蕩頻率附近運行時易產生共振，且輸出轉矩隨著步進電機的轉速升高而下降，這些缺點限制了步進電機的應用范圍。步進電機的性能在很大程度上取決于所用的驅動器，改善驅動器的性能，可以顯著地提高步進電機的性能，因此研制高性能的步進電機驅動器是一項普遍關注的課題。

　　1 步進電機驅動控制系統概述

　　通常情況下，步進電機驅動系統由3部分構成：

　　①控制電路。用于產生脈沖，控制電機的速度和轉向。

　　②驅動電路。即本文的研究內容，由圖1所示的脈沖信號分配和功率驅動電路組成。根據控制器輸入的脈沖和方向信號，為步進電機各繞組提供正確的通電順序，以及電機需要的高電壓、大電流；同時提供各種保護措施，比如過流、過熱等。

　　③步進電機。控制信號經驅動器放大后驅動步進電機，帶動負載。

　　2 步進電機驅動方法的比較

　　2．1 恒電壓驅動方式

　　2．1．1 單電壓驅動

　　單電壓驅動是指在電機繞組工作過程中，只用一個方向電壓對繞組供電。如圖2所示，L為電機繞組，VCC為電源。當輸入信號In為高電平時，提供足夠大的基極電流使三極管T處于飽和狀態，若忽略其飽和壓降，則電源電壓全部作用在電機繞組上。當In為低電平時，三極管截止，繞組無電流通過。

　　為使通電時繞組電流迅速達到預設電流，串入電阻Rc；為防止關斷T時繞組電流變化率太大，而產生很大的反電勢將T擊穿，在繞組的兩端并聯一個二極管D和電阻Rd，為繞組電流提供一個泄放回路，也稱“續流回路”。

　　單電壓功率驅動電路的優點是電路結構簡單、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入電阻后，功耗加大，整個功率驅動電路的效率較低，僅適合于驅動小功率步進電機。

　　2．1．2 高低壓驅動

　　為了使通電時繞組能迅速到達設定電流，關斷時繞組電流迅速衰減為零，同時又具有較高的效率，出現了高低壓驅動方式。

　　如圖3所示，Th、T1分別為高壓管和低壓管，Vh、V1分別為高低壓電源，Ih、I1分別為高低端的脈沖信號。在導通前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。高低壓驅動可獲得較好的高頻特性，但是由于高壓管的導通時間不變，在低頻時，繞組獲得了過多的能量，容易引起振蕩。可通過改變其高壓管導通時間來解決低頻振蕩問題，然而其控制電路較單電壓復雜，可靠性降低，一旦高壓管失控，將會因電流太大損壞電機。