为你支招，步进电机驱动设计不再难

STM32

推荐课程：
张飞软硬开源：基于STM32的BLDC直流无刷电机驱动器（视频+硬件）
http://url.elecfans.com/u/73ad899cfd

步进电机在工业控制中有着举足轻重的地位，在步进电机驱动设计中，设计师难免会遇到各种让人纠结、疑惑的问题。本文主要讲解多种驱动方式、以及在设计中应注意的问题以及考虑的因素。
步进电机驱动方式有很多种，下文就分别讲解恒电压驱动方式和恒电流斩波驱动方式的不同之处。
恒电压驱动方式
单电压驱动
单电压驱动是指在电机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。如图1所示，L为电机绕组，VCC为电源。当输入信号In为高电平时，提供足够大的基极电流使三极管T处于饱和状态，若忽略其饱和压降，则电源电压全部作用在电机绕组上。当In为低电平时，三极管截止，绕组无电流通过。

图1 单电压驱动原理图

为使通电时绕组电流迅速达到预设电流，串入电阻Rc;为防止关断T时绕组电流变化率太大，而产生很大的反电势将T击穿，在绕组的两端并联一个二极管D和电阻Rd，为绕组电流提供一个泄放回路，也称“续流回路”。
单电压功率驱动电路的优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入电阻后，功耗加大，整个功率驱动电路的效率较低，仅适合于驱动小功率步进电机。
高低压驱动
为了使通电时绕组能迅速到达设定电流，关断时绕组电流迅速衰减为零，同时又具有较高的效率，出现了高低压驱动方式。

图2 高低压驱动原理图

如图2所示，Th、T1分别为高压管和低压管，Vh、V1分别为高低压电源，Ih、I1分别为高低端的脉冲信号。在导通前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。高低压驱动可获得较好的高频特性，但是由于高压管的导通时间不变，在低频时，绕组获得了过多的能量，容易引起振荡。可通过改变其高压管导通时间来解决低频振荡问题，然而其控制电路较单电压复杂，可靠性降低，一旦高压管失控，将会因电流太大损坏电机。
恒电流斩波驱动方式
自激式恒电流斩波驱动
图3为自激式恒电流斩波驱动框图。把步进电机绕组电流值转化为一定比例的电压，与D/A转换器输出的预设值进行比较，控制功率管的开关，从而达到控制绕组相电流的目的。从理论上讲，自激式恒电流斩波驱动可以将电机绕组的电流控制在某一恒定值。但由于斩波频率是可变的，会使绕组激起很高的浪涌电压，因而对控制电路产生很大的干扰，容易产生振荡，可靠性大大降低。

图3 自激式恒电流斩波驱动框图

激式恒电流斩波驱动
为了解决自激式斩波频率可变引起的浪涌电压问题，可在D触发器加一个固定频率的时钟。这样基本上能解决振荡问题，但仍然存在一些问题。比如：当比较器输出的导通脉冲刚好介于D触发器的2个时钟上升沿之间时，该控制信号将丢失，一般可通过加大D触发器时钟频率解决。
细分驱动方式
这是本文讨论的重点，也是该系统采用的驱动方法。细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩;其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步进电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。
细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。比如：电流分成n个台阶，转子则需要n次才转过一个步距角，即n细分，如图4所示。

图4 二相电机细分电流阶梯波

一般的细分方法只改变某一相的电流，另一相电流保持不变。如图所示，在O°～45°，Ia保持不变，Ib由O逐级变大;在45°～90°，Ib 保持不变，Ia由额定值逐级变为0。该方法的优点是控制较为简单，在硬件上容易实现;但由图5所示的电流矢量合成图可知，所合成的矢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6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。

图5 二相电机相电流矢量合成图

图6 电流可控的等角度恒力矩细分

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。
步进电机的选择
步进电机有步距角(涉及到相数)、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。
1、步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度(包括减速)。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度(五相电机)、0.9度/1.8度(二、四相电机)、1.5度/3度(三相电机) 等。
2、静力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时(一般由低速)时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来(几何尺寸)
3、电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流。
4、力矩与功率换算
步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：
p= ω·m
ω=2π·n/60
p=2πnm/60
其p为功率单位为瓦，ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，m为力矩单位为牛顿·米
p=2πfm/400(半步工作)
其中f为每秒脉冲数(简称pps)
步进电机在应用中的注意点
1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，(0.9度时6666pps)，最好在1000-3000pps(0.9度)间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。
2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。
3、由于历史原因，只有标称为12v电压的电机使用12v外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压(建议：57byg 采用直流24v-36v，86byg采用直流50v,110byg采用高于直流80v)，当然12伏的电压除12v恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。
4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。
5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。
6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。
7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。
8、电机在600pps(0.9度)以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。
9、应遵循先选电机后选驱动的原则。
步进电机调速注意特点
步进电机高速不能直接使用普通的交直流电源，需要专用的伺服控制器，应注意以下特点：
1、可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价，位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，开环控制系统既简单又具有一定的精度; 在要求更高精度时，也可以采用闭环控制系统。
2、由于步进电机无刷，因此本体部件少，可靠性高。
3、易于起动，停止，正反转，速度响应性好;停止时一般有自锁能力。
4、步距角可在大范围内选择，在小步距情况下，能够在超低转速下高转距稳定运行，可以不经减速器直接驱动负载。
5、速度可在相当宽范围内平滑调节，可以用一台控制器同时控制几台步进电机完全同步运行。
6、步进电机带惯性负载能力较差，由于存在失步和共振问题，步进电机的加减速方法在不同的应用状态下，情况较为复杂。
步进电机定位不准怎么办?
在调机过程中发现步进电机定位不准现象怎么办?一般由以下几方面原因引起：
1、改变方向时丢脉冲，表现为往任何一个方向都准，但一改变方向就累计偏差，并且次数越多偏得越多;
2、初速度太高，加速度太大，引起有时丢步;
3、在用同步带的场合软件补偿太多或太少;
4、马达力量不够;
5、控制器受干扰引起误动作;
6、驱动器受干扰引起;
7、软件缺陷;
针对以上问题分析如下：
1)一般的步进驱动器对方向和脉冲信号都有一定的要求，如：方向信号在第一个脉冲上升沿或下降沿(不同的驱动器要求不一样)到来前数微秒被确定，否则会有一个脉冲所运转的角度与实际需要的转向相反，最后故障现象表现为越走越偏，细分越小越明显，解决办法主要用软件改变发脉冲的逻辑或加延时。
2)由于步进电机特点决定初速度不能太高，尤其带的负载惯量较大情况下,建议初速度在1r/s以下，这样冲击较小，同样加速度太大对系统冲击也大，容易过冲，导致定位不准;电机正转和反转之间应有一定的暂停时间,若没有就会因反向加速度太大引起过冲。
3)根据实际情况调整被偿参数值，(因为同步带弹性形变较大，所以改变方向时需加一定的补偿)。
4)适当地增大马达电流，提高驱动器电压(注意选配驱动器)，选扭矩大一些的马达。
5)系统的干扰引起控制器或驱动器的误动作，我们只能想办法找出干扰源，降低其干扰能力(如屏蔽，加大间隔距离等)，切断传播途径，提高自身的抗干扰能力，常见措施：
①用双纹屏蔽线代替普通导线，系统中信号线与大电流或大电压变化导线分开布线，降低电磁干扰能力。
②用电源滤波器把来自电网的干扰波滤掉，在条件许可下各大用电设备的输入端加电源滤波器，降低系统内各设备之间的干扰。
③设备之间最好用光电隔离器件进行信号传送，在条件许可下，脉冲和方向信号最好用差分方式加光电隔离进行信号传送。在感性负载(如电磁继电器、电磁阀)两端加阻容吸收或快速泄放电路，感性负载在开头瞬间能产生10~100倍的尖峰电压，如果工作频率在20KHZ以上。

6)软件做一些容错处理，把干扰带来影响消除。