三相混合式步进电机驱动原理

    根据正弦波电流细分驱动的原理，设计出三相混合式步进电机多细分驱动方式，采用
电流跟踪和脉宽调制技术，使电机的相电流为相位相差 120°的正弦波，功率驱动电路采
用六只 MOS 管。这种驱动方式，彻底解决了传统驱动方式的步进电机低速振动大、有共振
区、噪音大等缺点，提高了步距角分辨率和工作的可靠性。
    一、细分原理
    步进电机的细分控制从本质上讲是通过对步进电机的定子绕组中电流的控制，使步进
电机内部的合成磁场按某种要求变化，从而实现步进电机步距角的细分。最佳的细分方式
是恒转矩等步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了电机旋转力矩的大小，
相邻两合成磁场矢量的之间的夹角大小决定了步距角的大小。在电机内产生接近均匀的圆
形旋转磁场，各相绕组的合成磁场矢量，即各相绕组电流的合成矢量应在空间作幅值恒
定的旋转运动，这就需要在各相绕相中通以正弦电流。
    三相混合式步进电机的工作原理十分类似于交流永磁同步伺服电机。其转子上所用永磁

 

磁铁同样是具有高磁密特性 的稀土永磁材料，所以在转子上产生的感应电流对转子磁场
的影响可忽略不计。在结构上，它相当于一种多极对数的交流永磁同步电机。由于输入是
三相正弦电流，因此产生的空间磁场呈圆形分布，而且可以用永磁式同步电机的结构模
型分析三相混合式步进电机的转矩特性。为便于分析，可做如下假设：
    a.电机定子三相绕组完全对称；
    b.磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计；
    c.激磁电流无动态响应过程。
    U、V、W 为定子上的 3 个线圈绕组，3 个线圈绕组的轴线成 120°。电机单相绕组通电的时
候，稳态转矩可以表达为：T=f(i,theta)。其中，i 为绕组中通过的电流；theta 为电机转子偏
离参考点的角度。由于磁饱和效应可以忽略不计，并且转子结构是圆形，其矩角特性为严
格的正弦，
    即：T=k*I*sin（theta），k 为转矩常数
    若理想的电流源以恒幅值为 I 的三相平衡电流 iU、iV、iW

 

供给电机绕组， 即：

    iU=I*sin(wt)
    iV=I*sin(wt+2*PI/3)
    iW=I*sin(wt+4*PI/3)
    则电机各相电流产生的稳态转矩为：
    TU=k*I*sin(wt)*sin(theta)
    TV=k*I*sin(wt+2*PI/3)*sin(theta+2*PI/3)
    TW=k*I*sin(wt+4*PI/3)*sin(theta+4*PI/3)
    稳态运行时，theta=wt，则三相绕组产生的合成转矩为：
    T=TU+TV+TW=3/2*k*I*sin(PI/2-wt+theta)=3/2*k*I
    以上分析表明，对于三相永磁同步电机，当三相绕组输入相差 120°的正弦电流时，由
于在内部产生圆形旋转磁场，电机的输出转矩为恒值。因此，将交流伺服控制原理应用到
三相混合式步进电机驱动系统中，输入的 220V 交流，经整流后变为直流，再经脉宽调制
技术变为三路阶梯式正弦波形电流，它们按固定时序分别流过三路绕组，其每个阶梯对
应电机转动一步。通过改变驱动器输出正弦电流的频率来改变电机转速，而输出的阶梯数
确定了每步转过的角度，当角度越小的时候，那么其阶梯数就越多，即细分就越大，从
理论上说此角度可以设得足够的小，所以细分数可以是很大，而交流伺服控制的每步角
度与反馈的编码器的精度有很大的关系，一般使用的为 2500 线，所以每一步转过的角度