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   摘要：新興的計(jì)算機(jī)工業(yè)迅速將步進(jìn)電機(jī)采用到外設(shè)應(yīng)用當(dāng)中。步進(jìn)電機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)在于能提供開環(huán)位置控制，而成本只是需要反饋的伺服系統(tǒng)的幾分之一。通過(guò)分析步進(jìn)電機(jī)幾種常見的驅(qū)動(dòng)方式，并研究了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中的關(guān)鍵技術(shù)，認(rèn)真學(xué)習(xí)了東芝公司的大功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片THB6064H的相關(guān)資料，在充分考慮步進(jìn)電機(jī)在節(jié)能燈流程控制中的具體要求的前提下，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真和應(yīng)用實(shí)例，證明了該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確，有效。

   關(guān)鍵詞：開環(huán)；位置控制；反饋；驅(qū)動(dòng)

   1 引言

   在本系統(tǒng)中要求步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度要越快越好，要求步進(jìn)電機(jī)在完成一次抓取節(jié)能燈管的時(shí)間控制在2秒以內(nèi)，所以步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的效率。另外由于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，在系統(tǒng)中有六臺(tái)大功率的超聲波發(fā)生器，電源干擾比較嚴(yán)重，因此，步進(jìn)電機(jī)的抗干擾能力也是保證步進(jìn)電機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法在成本、所占空間等方面無(wú)法滿足項(xiàng)目要求，而本設(shè)計(jì)可以方便地將兩種不同型號(hào)、不同驅(qū)動(dòng)電流的驅(qū)動(dòng)做到一個(gè)10cm×10cm的PCB電路板上，為整個(gè)設(shè)備節(jié)約了非常大的空間，同時(shí)最大程度上方便合理布線。

   2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

   由于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行必須對(duì)電機(jī)繞組提供足夠的電壓和電流，由控制器提供的信號(hào)一般無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)，因此在控制器和電動(dòng)機(jī)之間要加上驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行放大，使之為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供足夠的電壓和電流。但是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)與一般電子設(shè)備(如影視音響等)的驅(qū)動(dòng)有不同的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在^[2]：

   （1）各相繞組都是斷續(xù)通電的。多數(shù)電動(dòng)機(jī)繞組都是連續(xù)的交流或直流，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是斷續(xù)的。如兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在兩相單雙四拍狀態(tài)工作是A-AB-B-A’B-A’-A’B’-B’-AB’，各相施加的電壓波形如圖1所示。
  
                     
         
                     圖1 兩相單雙四拍工作方式通電電壓波形  

   （2）電動(dòng)機(jī)各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。繞組通電時(shí)電流上升率受到限制，因此會(huì)影響電動(dòng)機(jī)繞組電流的大小。

   （3）繞組斷電時(shí)，電感中磁場(chǎng)的儲(chǔ)能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應(yīng)該電流截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。繞組導(dǎo)通和截止過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生較大的反電勢(shì)，而截止時(shí)的反電勢(shì)將對(duì)驅(qū)動(dòng)級(jí)器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響。

   （4）電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢(shì)，這些電勢(shì)的大小和方向?qū)?duì)繞組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢(shì)基本上與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電勢(shì)越大，繞組電流越小，從而使電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。

    （5）電動(dòng)機(jī)繞組中有電感電勢(shì)、互感電勢(shì)、旋轉(zhuǎn)電勢(shì)。這些電勢(shì)與外加電壓共同作用于功率器件。當(dāng)其疊加結(jié)果使電動(dòng)機(jī)繞組兩端電壓大大超過(guò)電源電壓時(shí)，使驅(qū)動(dòng)級(jí)工作條件更為惡化。

   3 幾種常見的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

   步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，除與電動(dòng)機(jī)自身的性能有關(guān)之外，也在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)控制器的優(yōu)劣。因此，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研究幾乎是與對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究同步講行的[3]。常見的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式有單電壓驅(qū)動(dòng)，高低壓驅(qū)動(dòng)，恒流斬波驅(qū)動(dòng)控制方式。
           
                      
                   圖2 高低壓驅(qū)動(dòng)的原理圖                 圖3 高低壓管輸入信號(hào) 

   3.1 高低壓驅(qū)動(dòng)

    高低壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是在電機(jī)繞組導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來(lái)提高電流的前沿上升率，而在前沿過(guò)后用低電壓來(lái)維持繞組的電流。

   高低壓驅(qū)動(dòng)的原理線路如圖2所示。圖中所示為每相的單元線路。主回路由高壓管TH、電動(dòng)機(jī)繞組、低壓管TL串聯(lián)而成。UH加高壓，UL加低電壓。在每相導(dǎo)通期間，低壓管輸入信號(hào)IL與高壓管輸入信號(hào)IH如圖3所示。

    低壓管的輸入信號(hào)，即是由環(huán)形分配器輸出的該相導(dǎo)通信號(hào)，其脈寬由環(huán)分輸出決定，當(dāng)IL為高電平時(shí)，該相導(dǎo)通；為低電平時(shí)，該相截止。高壓管的輸入信號(hào)IH是由IL信號(hào)的前沿獲得，IH的前沿與IL同步，但脈寬要比IL小得多。設(shè)IH的脈寬為tH，IL的脈寬為tL，在相繞組導(dǎo)通的過(guò)程中，在前沿開始的tH時(shí)間內(nèi)，由于高低壓輸入信號(hào)同時(shí)有效，使高低壓管同時(shí)導(dǎo)通，繞組電流由高壓電源供給。此時(shí)，相繞組電流有很陡的前沿，并迅速形成上沖，當(dāng)tH過(guò)后，高壓管轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)，低壓電源開始供電，tL繼續(xù)處于導(dǎo)通狀態(tài)。由于繞組電阻很小，又不串電阻，所以低壓電源只需數(shù)伏就可以提供較大的電流。

   在tL時(shí)間后，繞組電流進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)，電流將經(jīng)過(guò)DL，電動(dòng)機(jī)繞組，DH泄放，磁場(chǎng)的能量將回饋給高壓電源。這樣達(dá)到了縮短泄放時(shí)間，又可節(jié)約電能的作用。快速的泄放有利于提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高頻響應(yīng)。

   高低壓驅(qū)動(dòng)可保證在很寬的頻段內(nèi)相繞組有較大的平均電流，在截止時(shí)又能迅速泄放，因此能產(chǎn)生較大的且較穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可得到較高的響應(yīng)，高低壓驅(qū)動(dòng)目前在實(shí)際中應(yīng)用較多。

    由于這種驅(qū)動(dòng)線路在低頻時(shí)繞組電流有較大的上沖，所以低頻時(shí)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象仍然存在。

   3.2 恒流斬波驅(qū)動(dòng)^[4]
  
                     

                                   圖4  斬波驅(qū)動(dòng)原理圖

   圖4給出了恒流斬波驅(qū)動(dòng)的電路原理圖。主回路由高壓晶體管、電動(dòng)機(jī)繞組、低壓晶體管串聯(lián)而成。與高低壓驅(qū)動(dòng)器不同的是，低壓管發(fā)射極串聯(lián)一個(gè)小的電阻接地，電動(dòng)機(jī)繞組的電流經(jīng)這個(gè)小電阻通地。小電阻的壓降與電動(dòng)機(jī)繞組電流成正比，所以這個(gè)電阻稱為取樣電阻。IC1和IC2分別是兩個(gè)控制門，控制TH和TL兩個(gè)晶體管的導(dǎo)通和截止。由環(huán)形分配器來(lái)的相繞組導(dǎo)通脈沖，波形如圖5(a)所示，送到門IC2與IC1中，通過(guò)IC2直接開通晶體管TL，而門IC1除環(huán)形分配器來(lái)的信號(hào)之外，還有一路信號(hào)來(lái)自比較器。比較器的兩個(gè)輸入端，其中之一接給定電平，另一個(gè)接來(lái)自取樣電阻的電壓信號(hào)。在環(huán)形分配器導(dǎo)通脈沖到來(lái)之前，IC1和IC2都處于關(guān)門狀態(tài)，輸出低電平，TH和TL都截止，取樣電阻中無(wú)電流流過(guò)，反饋到比較器的輸入信號(hào)為零，比較器輸出高電平。
       
                      

                              圖5 各點(diǎn)波形圖  

    當(dāng)環(huán)形分配器輸出導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，高電平使門IC1和IC2打開，輸出高電平使TH和TL兩管導(dǎo)通，高電壓經(jīng)TH向電動(dòng)機(jī)繞組供電。由于電動(dòng)機(jī)繞組有較大電感，所以電流成指數(shù)上升，但所加電壓較高，所以電流上升較快。取樣電阻上的電壓代表了電流的大小，當(dāng)電流超過(guò)所設(shè)定值時(shí)，比較器輸入的取樣電壓超過(guò)給定電壓，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出變低電平，從而IC1也輸出低電平，關(guān)斷高壓管TH。此時(shí)磁場(chǎng)能量將使繞組電流按原方向繼續(xù)流動(dòng)，經(jīng)由低壓管TL、取樣電阻、地線、二極管D1，構(gòu)成的續(xù)流回路消耗磁場(chǎng)的能量。此時(shí)電流將按指數(shù)曲線衰減，逐漸下降。當(dāng)取樣電阻上得到的電壓小于給定電壓時(shí)，比較器又翻轉(zhuǎn)回去，輸出高電平，打開高壓管，電源又開始向繞組供電，電流又會(huì)上升。如此反復(fù)，電動(dòng)機(jī)繞組的電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上，形成小小的鋸齒波，如圖5(c)。

   當(dāng)環(huán)形分配器輸出低電平時(shí)，高低壓管都截止，此時(shí)繞組的續(xù)流與高低壓時(shí)相同，經(jīng)Dl、D2向電源泄放。泄放回路的特點(diǎn)與高低壓驅(qū)動(dòng)時(shí)基本相同。

    斬波恒流驅(qū)動(dòng)中，由于驅(qū)動(dòng)電壓較高，電動(dòng)機(jī)繞組回路又不串電阻，所以電流上升很快，當(dāng)?shù)竭_(dá)所需要的數(shù)值時(shí)，由于取樣電阻反饋控制作用，繞組電流可以恒定在確定的數(shù)值上，而且不隨電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩。

   斬波恒流驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是：高頻響應(yīng)大大提高；輸出轉(zhuǎn)矩均勻；共振現(xiàn)象消除；線路較復(fù)雜。

   4 基于THB6064和THB7128的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

   4.1 大功率高細(xì)分兩相混合式步進(jìn)電機(jī)芯片式驅(qū)動(dòng)器THB6064H特性

   雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)低導(dǎo)通電阻導(dǎo)通Ron=0.4 Ω(上橋+下橋)；

   高耐壓 50VDC，大電流 4.5V（峰值）；

   多細(xì)分可選(1/2，1/8，1/10，1/16，1/20，1/32，1/40，1/64）；

   自動(dòng)半流鎖定；

    衰減方式連續(xù)可調(diào) ；

    內(nèi)置溫度保護(hù)及過(guò)流保護(hù)。

    THB7128是THB6064H的升級(jí)版本，其驅(qū)動(dòng)電流為3.3A和更大的細(xì)分?jǐn)?shù)128。

    4.2 東芝公司的THB7 1 2 8 和THB6 0 6 4H采用的雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)
  
                    

                                 圖6 THB6064H的結(jié)構(gòu)框圖  

   MOSFET由于其開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻低等優(yōu)點(diǎn)在開關(guān)電源及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用。如圖6所示，圖中H-Bridgedriver A和H-Bridge driver B即是兩個(gè)全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)[5]橋，每個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)橋即為上文所論述的斬波恒流驅(qū)動(dòng)不同的是采用MOS管代替上文論述中的晶體管。

    4.3 PCA功能模塊介紹

    STC12C5A16AD系列單片機(jī)^[6]有2路可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA/PWM(通過(guò)AUXR1寄存器可以設(shè)置PCA/PWM從P1口切換到P4口）。PCA含有一個(gè)特殊的16位定時(shí)器，有2個(gè)16位的捕獲/比較模塊與之相連，如圖7所示。
  
              

                                圖7 PCA模塊結(jié)構(gòu)  

    每個(gè)模塊可編程工作在4種模式下：上升/下降沿捕獲、軟件定時(shí)器、高速輸出或可調(diào)制脈沖輸出。本設(shè)計(jì)使用的是高速輸出模式，該模式的功能如圖8所示。
  
                     
 
                             圖8   PCA高速輸出模式  

    當(dāng)PCA計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與模塊捕獲寄存器的值相匹配時(shí)，PCA模塊的CCPn輸出將發(fā)生翻轉(zhuǎn)。要激活高速輸出模式，CCAPMn寄存器的TOGMATn和ECOMn位必須都置位。CCAPnL的值決定了PCA模塊n的輸出脈沖頻率。CCAPnL的值為CCAPnL= SYSclk / ( 4×f )。式中SYSclk為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，f為輸出脈沖的頻率。
   
                    

                            圖9 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)計(jì)框圖  

    4.4 驅(qū)動(dòng)方案的硬件設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)方案采用MCUSTC12C5A16AD的PCA模塊向驅(qū)動(dòng)芯片THB7812和THB6064發(fā)送脈沖和方向信號(hào)，如圖9所示，然后驅(qū)動(dòng)芯片通過(guò)OUTA1、OUTA2和OUTB1、OUTB2把放大后的電流加到步進(jìn)電機(jī)的輸入端。自動(dòng)化設(shè)備在工廠中使用，干擾是不可避免的，如何減少干擾，屏蔽干擾，是我們首要考慮的^[1]。電源是干擾步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的主要途徑之一，電源干擾主要是通過(guò)供電線路的阻抗耦合產(chǎn)生的。可以在控制系統(tǒng)的交流電源輸入端加接帶屏蔽層的隔離變壓器和低通濾波器，隔離變壓器可以抑制竄入的外來(lái)干擾，提高抗高頻共模干擾能力，屏蔽層應(yīng)可靠地接地。圖10是該設(shè)計(jì)的和焊接完成的PCB驅(qū)動(dòng)電路板。
  
                 
                            
                           
                             圖10 驅(qū)動(dòng)板的外觀圖
   5 結(jié)語(yǔ)

   該驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)電路板的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室的模擬環(huán)境下測(cè)試，其速度和精確度以及溫度都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)采用的梯形加速曲線，速度最快可以保證80KHz的情況下不丟步，由于在高速狀態(tài)下也不丟步，所以精確度也達(dá)到要求，溫度方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)的電機(jī)運(yùn)行一天的情況下，57電機(jī)模塊的溫度是55℃，42電機(jī)模塊的溫度是52℃。實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)驗(yàn)后，拿到工廠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，在機(jī)械裝置（渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）精度滿足要求的時(shí)候，該驅(qū)動(dòng)模塊的兩個(gè)電機(jī)控制均能達(dá)到控制要求。在低成本、低振動(dòng)、小噪聲、高速度等方面效果較佳，說(shuō)明了此設(shè)計(jì)方案的優(yōu)越性。

   參考文獻(xiàn)

    [1] 趙志彬.步進(jìn)電機(jī)的控制和抗干擾[J].山西電子技術(shù),2006(4):27-29.

    [2] 傅忠偉.無(wú)紡布手腕焊帶機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)[D].廈門:廈門大學(xué),2010.

    [3] 劉寶廷,程樹康等.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1997.

    [4] 陳志聰.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用設(shè)計(jì)研究[D], 廈門大學(xué),2008

    [5]楊碧石.基于功率MOSFET模塊驅(qū)動(dòng)電路的研究與實(shí)現(xiàn)[J].微特電機(jī),2009(9):7-10

   [6] STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊(cè)[Z],2009.

   李素勛（1982-）

   男，山東兗州人，工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于廈門大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化研究所，主要從事檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置方面的研究。   

    摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第二期