步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。



1 步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)及驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)受脈沖電流控制，每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。轉(zhuǎn)子的角位移正比于輸入脈沖的數(shù)量，轉(zhuǎn)子的角速度正比于輸入脈沖的頻率，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于定子繞組的通電順序。在使用過程中步進(jìn)電機(jī)有一定的步距誤差，但沒有累計(jì)誤差。若維持控制繞組的電流不變，則步進(jìn)電機(jī)就可停在某一位置不動(dòng)。其按力矩產(chǎn)生的原理可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和激磁式步進(jìn)電機(jī)。按輸出力矩大小可分為伺服式步進(jìn)電機(jī)和功率式步進(jìn)電機(jī)。

由于步進(jìn)電機(jī)是屬于感性器件，感抗與其輸入頻率是成正比。假設(shè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，其感抗也會(huì)增大。該狀態(tài)下流入電機(jī)線圈的電流就會(huì)減小，電機(jī)的輸出扭力達(dá)不到要求輸出，嚴(yán)重的情況下會(huì)造成電機(jī)失步或者電機(jī)只振動(dòng)不轉(zhuǎn)。這就要求其驅(qū)動(dòng)電路能夠提供穩(wěn)定的輸出電流，使步進(jìn)電機(jī)具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)。一般設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)都用采用三極管或者是用ULN2803IC等來驅(qū)動(dòng)，這些驅(qū)動(dòng)在實(shí)驗(yàn)板或一些轉(zhuǎn)速不高、帶動(dòng)負(fù)載小的應(yīng)用場所使用比較合適，在實(shí)際工作設(shè)計(jì)中遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所需要求。針對(duì)這些問題，各大公司陸續(xù)推出了專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，簡化其驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。Allegro公司的SMA7029M多芯片模塊就是一款性能使用簡單控制優(yōu)良的步進(jìn)電機(jī)控制模塊，該多芯片模塊能為步進(jìn)電機(jī)提供穩(wěn)定的輸出電流，使電機(jī)能夠穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 步進(jìn)電機(jī)工作原理

通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)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(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器

雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。

步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一， 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。

3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

SMA7029M是專為高效率、高性能的兩相單極步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的多芯片模塊，它采用功率FET技術(shù)和單片邏輯控制電路對(duì)完成步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。同一系列的還有SLA7024M和SLA7026M，三個(gè)芯片模塊不同主要是在輸出額定電流（1.5 A或3.0 A）和包裝樣式上。

3.1 SMA7029M結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

SMA7029M內(nèi)部主要包含電流峰值檢測部分，PWM關(guān)閉時(shí)間控制部分，電機(jī)邏輯控制部分，輸出電流及回流電流控制部分，如圖1所示。其工作過程主要是通過電流采樣，通過峰值檢測電路得到當(dāng)前最大電流，根據(jù)其結(jié)果控制PWM工作時(shí)間，最終達(dá)到控制整個(gè)芯片組輸出電流的目的。

 

圖1也給出基于SMA7029M芯片組電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的外圍電路，主要包含參考電壓取樣電路，OC門反向器輸入電路，電流取樣以及輸出變壓器耦合電路。通過設(shè)置電路中的R3=47 kΩ，C1=470 pF，可以得到脈寬約等于12μs。

3. 2 邏輯控制關(guān)系

SMA7029M可以通過外部邏輯控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)狀態(tài)的改變，表1給出了詳細(xì)的控制方式及輸出結(jié)果。

 

其中tda和tdb扎連接外部OC門反相器的邏輯控制信號(hào)，連接關(guān)系見圖1所示。從表l中可以看出，不同控制關(guān)系下輸出的不同狀態(tài)轉(zhuǎn)移，A和B兩個(gè)通道可以獨(dú)立控制，例如在狀態(tài)0及狀態(tài)2下A，B通道分別獨(dú)立工作，而在狀態(tài)1下二者可以同時(shí)工作。

3.3 工作模式選擇

通過改變圖1中外部元器件取值來設(shè)置PWM電流啟動(dòng)點(diǎn)。Vb是供電電壓，典型取值為5 V；R1，R2為分壓電阻，為所需參考電壓提供合適的輸入；Rs是電流取樣電阻。其中參考電壓Vref輸入最大不能超過2 V，相應(yīng)地選擇合適的電阻。在正常PWM模式（滿電流工作）下，Iout需要設(shè)置到電機(jī)工作所需的滿電流，它由式（1）決定：

 

為了使輸出電流可調(diào)，可以將圖1中的固定電阻Rz改用可調(diào)電位器。在保持電流模式下，圖2增加電路可以減小步進(jìn)電機(jī)的電壓。

其中外部三極管可以改變分壓比，使參考電壓Vref發(fā)生變化，從而減小輸出電流。此時(shí)的Ihold由電阻R1，R2，Rx，Rs以及電壓Vb共同決定：

 



4 結(jié) 語

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為現(xiàn)代機(jī)電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵部件之一，在當(dāng)今社會(huì)中發(fā)揮的作用越來越重要，從數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械到電腦的外圍裝置、機(jī)器人系統(tǒng)、儀表儀器等各種信息工業(yè)產(chǎn)品中，都離不開步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而也對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)提出了進(jìn)一步的要求。通過在包裝機(jī)控制系統(tǒng)中的實(shí)際使用，進(jìn)一步證明了該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作可靠，效率高，矩頻特性好，可以廣泛應(yīng)用于小型機(jī)電一體化設(shè)備中。