步进电机驱动器的关键技术分析

量幅值是不断变化的，输出力矩也跟着不断变化，从而引起滞后角的不断变化。当细分数很大、微步距角非常小时，滞后角变化的差值已大于所要求细分的微步距角，使得细分实际上失去了意义。

这就是目前常用的细分方法的缺陷，那么有没有一种方法让矢量角度变化时同时保持幅值不变呢?由上面分析可知，只改变单一相电流是不可能的，那么同时改变两相电流呢?即Ia、Ib以某一数学关系同时变化，保证变化过程中合成矢量幅值始终不变。基于此，本文建立一种“额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法，以消除力距不断变化引起滞后角的问题。如图7所示，随着A、B两相相电流Ia、Ib的合成矢量角度不断变化，其幅值始终为圆的半径。

　　下面介绍合成矢量幅值保持不变的数学模型：当Ia=Im·cosx，Ib=Im·sinx时(式中Im为电流额定值，Ia、Ib为实际的相电流，x由细分数决定)，其合成矢量始终为圆的半径，即恒力距。

　　等角度是指合成的力臂每次旋转的角度一样。额定电流可调是指可满足各种系列电机的要求。例如，86系列电机的额定电流为6～8 A，而57系列电机一般不超过6 A，驱动器有各种档位电流可供选择。细分为对额定电流的细分。

　　为实现“额定电流可调的等角度恒力距”，理论上只要各相相电流能够满足以上的数学模型即可。这就要求电流控制精度非常高，不然Ia、Ib所合成的矢量角将出现偏差，即各步步距角不等，细分也失去了意义。下面给出了基于该驱动方法的驱动器的设计方案。

　　3 二相步进电机驱动器的总体设计方案

　　3．1 系统设计框图

　　如图8所示，控制板信号经过光耦隔离与单片机中断口相连。

单片机根据收到的脉冲信号进行脉冲信号分配，确定各相通电顺序，并与CPLD里面的D触发器相连；同时根据用户设定的电流值和细分数通过SPI口与D／A转换器AD5623通信，得到设定的电流值(实际上是电流对应的电压值)。

　　AD5623输出的值为期望的电流对应的电压值，它必须与从功率模块检测得到的电流对应的电压值进行比较，并把比较结果与CPLD里面的D触发器CLR引脚相连。

　　CPLD与电流、细分设定的拨码开关相连，把得到的值通过SPI口传给单片机；以D触发器为核心的控制逻辑，根据单片机的各相通电顺序和比较器MAX907的比较结果确定各功率管的开关。

　　 功率驱动模块直接与电机相连，驱动电机。采用8个MOS管IRF740构成2个H桥双极型驱动电路。IRF740最高可承受400 V电压和10 A电流，开关转换时间不会超过51 ns，管子导通电压Vgs的取值范围为4～20 V。

　　3．2 细分关键技术方案

　　“额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法的实质是恒流控制，关键是电流的精确控制，必须同时满足以下各个条件：

　　①D／A转换器输出的电流值必须与期望值相当接近，而且转换速度要快。该系统采用ADI公司的AD5623，12位精度，分成4 096个等级，满足了200细分的高精度要求；2路D／A输出满足两相的要求；SPI口通信，频率高达50 MHz，建立时间快，同时单电压供电，连接简单。

　　②检测到的电流必须能正确地反映此时的相电流。由于电机的相电流通常很大，电压很高，检测有一定的难度。常用的检测方法有外接标准小电阻，电路简单，但干扰比较大，准确性比较差；霍尔传感器检测准确，干扰小，连接也不复杂，所以该驱动器采用霍尔传感器。

　　③比较器分辨率要高，转换速度快。MAX907的建立时间只需12 ns，比较的电压只要相差2 mV即可检测出来(最大不超过4 mV)，反应非常灵敏。

　　④控制功率管开关的逻辑电路要有很高的实时性，保证相电流在设定电流上下做很小的波动，以免引起浪涌，干扰控制电路。

　　本文采用Xilinx公司的CPLD芯片XC9572。以D触发器为核心的控制电路全部由CPLD完成，CPLD代替了各种分立元器件，结构简单，连接方便。图9是控制电路的逻辑图。

如图9所示，当比较结果为低电平时(检测到的电流大于设定电流)，D触发器输出为1，或门输出高电平，关断管子，电流变小；当检测到电流小于设定电流时，管子导通，从而保证相电流在设定电流上下做很小的波动。

　　结 语

　　本文建立了“额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法，并基于该方法设计实现了二相混合式步进电机驱动器，最高可达200细分，驱动电流从O．5 A／相到8 A／相可调，可驱动24系列到86系列的步进电机。实际应用证明，该方法基本上克服了传统步进电机低速振动大和噪声大的缺点，电机在较大速度范围内转矩保持恒定，提高了控制精度，减小了发生共振的几率，具有很好的稳定性、可靠性和通用性，且结构简单。