三相步进电机驱动器的设计原理和详解

1．前言步进电机是一种开环伺服运动系统执行元件，以脉冲方式进行控制，
输出角位移。与交流伺服电机及直流伺服电机相比，其突出优点就是价格低廉，
并且无积累误差。但是，步进电机运行存在许多不足之处，如低频振荡、噪声大、
分辨率不高等，又严重制约了步进电机的应用范围。步进电机的运行性能与它的
驱动器有密切的联系，可以通过驱动技术的改进来克服步进电机的缺点。相对于
其他的驱动方式，细分驱动方式不仅可以减小步进电机的步距角，提高分辨率，
而且可以减少或消除低频振动，使电机运行更加平稳均匀。总体来说，细分驱动
的控制效果最好。因为常用低端步进电机伺服系统没有编码器反馈，所以随着电
机速度的升高其内部控制电流相应减小，从而造成丢步现象。所以在速度和精度
要求不高的领域，其应用非常广泛。
    因为三相混合式步进电机比二相步进电机有更好的低速平稳性及输出力矩，
所以三相混合式步进电机比二相步进电机有更好应用前景。传统的三相混合式步
进电机控制方法都是以硬件比较器完成，本文主要讲述使用

DSP 及空间矢量算

法

SVPWM 来实现三相混合式步进电机控制。

    2．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（图

1）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。
    图 1 三相永磁同步电机的简单结构模型 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（thet
a+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：