浅谈步进电机驱动器的发展
来源:用户上传
作者: 王诗哲
摘要：步进电动机驱动控制技术的发展,推动着步进电动机系统获得更加广泛的应用。简单阐述了步进电机驱动电源的发展及国内概况和国外驱动技术的发展状况以及驱动软件发展概况,最后展望了步进电动机驱动控制技术的未来发展。
关键词：步进电机；驱动技术；发展
步进电动机系统是由步进电动机及其驱动控制电路构成的。近20年来，电力电子技术、微电子技术和微处理器技术的飞速发展，极大地推动了步进电动机驱动控制技术的进步，并使之在不断完善中趋于成熟。步进电动机驱动控制技术的发展，在使得步进电动机系统获得更加广泛应用的同时，也使得步进电动机与其驱动电路装置日益成为不可分割的一个整体。步进电动机驱动电路的合理设计与改进，需要对步进电动机运行机理和具体结构设计的透彻了解与深入分析。同时，步进电动机系统的性能和运行品质在很大程度上取决于其驱动电路的结构与性能，同一台电动机配以不同类型的驱动电路，其性能会有较大差异。抛开驱动电路来谈步进电动机的性能是不完全的。
步进电机又称脉冲电机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功能是将脉冲电信号转换为相应的角位移或直线位移，且其输出转角、转速与输入脉冲个数、频率有着严格的同步关系。步进电机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。
以二相步进电机为例，如下表所示，驱动方式为二相四拍方式各线圈通电顺序：
电机正反转控制和速度控制：
当电机绕组通电时序为AB-BA′-A′B′-B′A-AB时为正转，通电时序为AB-B′A-A′B′-BA′-AB时为反转。步进电机的驱动电路，微电脑向步进电机输入端传送1或0信息，则可实现上述操作。通过不同长度的延时来得到不同频率的步进电机输入脉冲，从而得到多种步进速度，也就是改变电机的转动速度。
步进电机由于其本身特点，在具体的应用中有利于装置或设备的小型化和低成本。因此，广泛地应用在众多的领域中并得以不断地发展。虽然步进电机是一种数控元件，易于同数字电路接口。但是，一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机，必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。步进电机本体和步进电机驱动电路两者密不可分的组成步进电机系统。多年来，随着电力电子技术、自动化控制技术以及计算机网络通信技术的发展，步进电机系统尤其是其中的驱动电路部分也不断地发展，国内围绕步进电机驱动电路做了大量的研究与开发。
在微型计算机出现以前，步进电机的控制完全由硬件实现。比如环形分配器，就是由多个标准数字集成电路按照逻辑真值表组合而成，不同类型的电机、不同的工作方式就需要有不同的环形分配器，如果更换了电机类型或改变工作模式，则整个硬件电路需要重新设计。国外对步进电机的研究一直很活跃。目前，国外对步进电机的控制和驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片，结果是大大缩小了驱动器的体积，明显提高了整机得性能。比较典型的芯片有两类：一类芯片的核心是用硬件和微程序来保证步进电机实现合理的加减速过程，同时完成正反转等。对于开环适用的步进电机，实现合理的加减速过程便可使其达到较高的运行频率而不失步或过冲。
随着以MCS-51系列为代表的单片机的迅速普及，此类环形分配器仅需要更换不同的软件即可适应各种电机，而无需变更硬件，具有极大的灵活性。此外，在步进电机的速度控制中，我们寻求的最佳升降速曲线是根据步进电机的动力学特性及矩频特性得到的，在数学上这种曲线是比较复杂的，人们很难找到一种硬件电路来模拟它，只能在一定频段内做一种大的近似来拟合。现在，我们可以通过软件编程来精确的模拟升降速曲线，并且结合当前微型计算机的强大计算功能可实现步进电机的最优化控制。几十年来，步进电动机的驱动控制技术在不断解决问题、不断提高性能的过程中日益发展。步进电动机开环驱动控制技术已经取得了长足的进步，并在不断完善中趋于成熟。步进电动机闭环伺服驱动控制技术的研究仍在继续，并已经显现出了其优越性。步进电动机驱动控技术的发展，使步进电动机系统存在的失步、震荡、驱动电流过大（效率不高）等问题得到了不同程度的改善或克服，但步进电动机固有的功率密度低的问题依然存在。驱动电路与控制技术的发展，使得利用少极对数电机模拟传统多极对数步进电机的运行特点成为可能。随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的进一步应用与发展以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得到应用，其驱动系统必将随之发展，尤其是智能化应用技术方向的发展将会成为步进电机驱动器下一个阶段的发展趋势。
参考文献：
［1］哈尔滨工业大学，成都电机厂.步进电动机［J］.北京：科学出版社，1979.
［2］王宗培，孙宝奎.论步进电动机产品的格局［J］.电工技术学报，1999，14（4）：5-9.
［3］刘宝延，程树康，等.步进电动机及其驱动控制系统［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.
［4］高钟毓.机电控制工程［M］.2版.北京：清华大学出版社，2002.
［5］周明安，朱光忠，宋晓华，等.步进电机驱动技术发展及现状［N］.浙江工业大学出版.
［6］沈红卫.智能型环形脉冲分配器的设计［J］.制造技术与机床，1997，（8）：21-43.
［7］王宗培.步进电动机的发展及建议［J］.微电机，2004，37（4）：47-49.
（作者单位 武汉纺织大学）
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-64120.htm
