步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。

　　步進電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。

　　雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。

　　步進電機基本原理

　　工作原理

　　通常電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉(zhuǎn)動。

　　發(fā)熱原理

　　通常見到的各類電機，內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會產(chǎn)生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場中也會產(chǎn)生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關(guān)，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來，從而影響電機的效率。步進電機一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉(zhuǎn)速而變化，因而步進電機普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機嚴重。

　　步進電機驅(qū)動電路

　　雙極性步進電機的驅(qū)動電路如圖所示，它會使用八顆晶體管來驅(qū)動兩組相位。雙極性驅(qū)動電路可以同時驅(qū)動四線式或六線式步進電機，雖然四線式電機只能使用雙極性驅(qū)動電路，它卻能大幅降低量產(chǎn)型應(yīng)用的成本。雙極性步進電機驅(qū)動電路的晶體管數(shù)目是單極性驅(qū)動電路的兩倍，其中四顆下端晶體管通常是由微控制器直接驅(qū)動，上端晶體管則需要成本較高的上端驅(qū)動電路。雙極性驅(qū)動電路的晶體管只需承受電機電壓，所以它不像單極性驅(qū)動電路一樣需要箝位電路。

　　步進電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅(qū)動器，如圖2所示，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。圖中點劃線所包圍的二個單元可以用微機控制來實現(xiàn)。驅(qū)動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口，這里予以簡單介紹。

　　1. 單電壓功率驅(qū)動接口

　　實用電路如圖3所示。在電機繞組回路中串有電阻Rs，使電機回路時間常數(shù)減小，高頻時電機能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡單單電壓驅(qū)動線路中，Rs是不可缺少的。Rs對步進電動機單步響應(yīng)的改善如圖3（b）。

　　雙電壓驅(qū)動的功率接口如圖4所示。雙電壓驅(qū)動的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓UL驅(qū)動，而在高速（高頻段）時用較高的電壓UH驅(qū)動。這種功率接口需要兩個控制信號，Uh為高壓有效控制信號，U為脈沖調(diào)寬驅(qū)動控制信號。圖中，功率管TH和二極管DL構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當Uh低電平，TH關(guān)斷，DL正偏置，低電壓UL對繞組供電。反之Uh高電平，TH導通，DL反偏，高電壓UH對繞組供電。這種電路可使電機在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時功耗減小。

　　3.高低壓功率驅(qū)動接口

　　高低壓功率驅(qū)動接口如圖5所示。高低壓驅(qū)動的設(shè)計思想是，不論電機工作頻率如何，均利用高電壓UH供電來提高導通相繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓UL來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻Rs，消除了附加損耗。高低壓驅(qū)動功率接口也有兩個輸入控制信號Uh和Ul，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時刻跳變，如圖5所示。圖中，高壓管VTH的導通時間tl不能太大，也不能太小，太大時，電機電流過載；太小時，動態(tài)性能改善不明顯。一般可取1~3ms。（當這個數(shù)值與電機的電氣時間常數(shù)相當時比較合適）。{{分頁}}

　　4.斬波恒流功率驅(qū)動接口

　　恒流驅(qū)動的設(shè)計思想是，設(shè)法使導通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時均保持固定數(shù)值。使電機具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性。這是目前使用較多、效果較好的一種功率接口。圖6是斬波恒流功率接口原理圖。圖中R是一個用于電流采樣的小阻值電阻，稱為采樣電阻。當電流不大時，VT1和VT2同時受控于走步脈沖，當電流超過恒流給定的數(shù)值，VT2被封鎖，電源U被切除。由于電機繞組具有較大電感，此時靠二極管VD續(xù)流，維持繞組電流，電機靠消耗電感中的磁場能量產(chǎn)生出力。此時電流將按指數(shù)曲線衰減，同樣電流采樣值將減小。當電流小于恒流給定的數(shù)值，VT2導通，電源再次接通。如此反復(fù)，電機繞組電流就穩(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6所示。

　　斬波恒流功率驅(qū)動接口也有兩個輸入控制信號，其中u1是數(shù)字脈沖，u2是模擬信號。這種功率接口的特點是：高頻響應(yīng)大大提高，接近恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，共振現(xiàn)象消除，但線路較復(fù)雜。目前已有相應(yīng)的集成功率模塊可供采用。

　　5.升頻升壓功率驅(qū)動接口

　　為了進一步提高驅(qū)動系統(tǒng)的高頻響應(yīng)，可采用升頻升壓功率驅(qū)動接口。這種接口對繞組提供的電壓與電機的運行頻率成線性關(guān)系。它的主回路實際上是一個開關(guān)穩(wěn)壓電源，利用頻率-電壓變換器，將驅(qū)動脈沖的頻率轉(zhuǎn)換成直流電平，并用此電平去控制開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸入，這就構(gòu)成了具有頻率反饋的功率驅(qū)動接口。

　　6.集成功率驅(qū)動接口

　　目前已有多種用于小功率步進電動機的集成功率驅(qū)動接口電路可供選用。

　　L298芯片是一種H橋式驅(qū)動器，它設(shè)計成接受標準TTL邏輯電平信號，可用來驅(qū)動電感性負載。H橋可承受46V電壓，相電流高達2.5A。L298（或XQ298，SGS298）的邏輯電路使用5V電源，功放級使用5~46V電壓，下橋發(fā)射極均單獨引出，以便接入電流取樣電阻。L298（等）采用15腳雙列直插小瓦數(shù)式封裝，工業(yè)品等級。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。H橋驅(qū)動的主要特點是能夠?qū)﹄姍C繞組進行正、反兩個方向通電。L298特別適用于對二相或四相步進電動機的驅(qū)動。{{分頁}}

　　與L298類似的電路還有TER公司的3717，它是單H橋電路。SGS公司的SG3635則是單橋臂電路，IR公司的IR2130則是三相橋電路，Allegro公司則有A2916、A3953等小功率驅(qū)動模塊。

　　圖8是使用L297（環(huán)形分配器專用芯片）和L298構(gòu)成的具有恒流斬波功能的步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)。

　　步進電機驅(qū)動電路的性能比較及電路實例

　　1、性能比較

　　比較上述驅(qū)動電路的

　　基本性能可概括如下。

　?。?）單極性驅(qū)動電路：這里指單電源、單極性驅(qū)動電路，每相只用一只功率管。線路簡單、成本低，但效率也低，啟動和運行頻率均不高?，F(xiàn)常用來驅(qū)動小功率步進電機。

　?。?）雙極性驅(qū)動電路：線路復(fù)雜，效率高。常用來驅(qū)動永磁式電機、混合式電機或大功率電機。

　?。?）高低壓驅(qū)動電路：線路較簡單。雙電源，每相需要兩只功率管。效率較高，啟動和運行頻率比單極性電路高。

　?。?）斬波驅(qū)動電路：雙電源成高壓單電源。運行特性好，效率高，但線路復(fù)雜。

　?。?）調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路：控制電路較復(fù)雜。因為V隨f改變，所以，效率、運行特性等都有了明顯改善。

　?。?）細分驅(qū)動電路：線路復(fù)雜。運行特性好。微機的應(yīng)用已使它成為很有發(fā)展前途的驅(qū)動方式之一。

　　2、驅(qū)動電路實例

　?。?） 圖1是斬波驅(qū)動的一個應(yīng)用實例。被驅(qū)動的電機是36By3-30型三相步進電機。它的A、B、C三相分別接在圖示電路的A、B、C端。A、B、C三端的輸入分別接電路的D03、D02、DO1。

　　該電路有兩種工作狀態(tài)：（1）步進方式；（2）維持方式。處在步進工作方式時，流過取樣電阻R0和相繞組上的電流為2A；處在維持方式時，僅為0.5A。工作方式的轉(zhuǎn)換受程序控制。該程序送“1”給DO5時，則為步進方式。送“0”時，為維持方式。

　　實際上，是用DO5電位的高低改變比較器比較基準端“2”的電位。DO5電位高，“2”端電位抬高，則比較器“3”端的翻轉(zhuǎn)電位也隨之提高。即取樣

　　電阻R0上的電壓隨之提高，流過R0的平均電流相應(yīng)增大。反之，‘2”端電位降低，流過R0的平均電流相應(yīng)減小。

　　斬波驅(qū)動由比較器、比較器后面的放大電路、L、C、R等電路形成。假設(shè)比較器的“3”端電位高于“2”端，它的輸出為低電位。由三極管組成的放大電路截止，加到相繞組上的電壓逐步衰減，流過R0上的電流和iR0也隨之降低。經(jīng)過一定時間后，“3”端電位低于“2”端。經(jīng)比較器比較后，輸出高電位。（http://www.diangon.com/版權(quán)所有）放大電路的輸出電壓升高。流過取樣電阻R0上的電流以回路時間常數(shù)所決定的規(guī)律逐步上升，R0上的壓降iR0也隨之上升。當“3” 端電位再一次高于“2”端時，比較器的輸出再次變低。如此循環(huán)，形成斬波輸出。

　　驅(qū)動電路的另外3個輸入端DO1、D02、D03受程序控制，用來決定步進電機的正反向旋轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時，以ABC→ABC→ABC→ABC→ABC→ABC→ABC→…方式工作；反轉(zhuǎn)時，以ABC→ABC→ABC→ABC→ABC→ABC→ABC→…方式工作。

　?。?）圖2是噴墨打字機中使用的驅(qū)動電路。被驅(qū)動的是四相步進電機，步距角為3.6°。驅(qū)動電路由四只二極管、四只晶體管、兩組雙線繞組、兩只限流電阻和一只36V穩(wěn)壓管組成。穩(wěn)壓管以圖示方式與二極管串聯(lián)后，并聯(lián)在線圈兩端。這種方式與單純并二極甘或并二極管-電阻相比，能在晶體管截止之后，使回路電流衰減得更迅速。除此之外，截止后，加在集電極上的最高電壓是電源電壓加穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓，而與電流無關(guān)。在圖示電路中，為60V。這使得決定最

　　大集電極電壓的額定值變得很容易。圖中的串聯(lián)電阻主要是為了迅速建立激磁電流和改善轉(zhuǎn)矩特性而設(shè)。設(shè)繞組電阻為Rw，串聯(lián)電阻為R；則串聯(lián)R后，電路的時間常數(shù)將從L/Rw減少為L／（Rw+R）。