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摘要：步进电机可以将电能转化为动能，是我们在生活中常见的一类设备。它的应用很广泛，经常被使用在一些需要动力的机械中，这样就能维持其运作。电机的设计是一项复杂的工作，因为需要考虑到它具体的应用，并对其结构以及相应的参数进行调整。在一些特定的条件下，电机可能会出现失灵的情况，这通常是因为电路出现了问题，而导致无法为装置提供稳定的电能。文章将就不同的条件中，设计的差异进行论述，总结出设计的要点并给出相应的建议。
关键词：步进电机；驱动电路；设计研究
前言
电机在工业中的作用十分关键，因为它提供的动能是生产的基础。同时，很多仪器中也会使用电机，这说明这种装置的应用很广。电机需要芯片来控制，由电路来供给电能。因此，电路决定了整个装置是否可以发挥作用。恒流电路是比较常见的，它的优点就在于结构简单，容易实现。但是在高频条件下，可能会出现失灵，所以必须要在设计中对其进行改良。
1.步进电机的工作原理
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在正常的条件下，它会以一个固定的转速工作。这样就可以稳定输出动能。一般来讲，其转速是由脉冲信号的频率和脉冲数来决定的，与负载并没有直接关联。其原理就是电机接收到了单位信号后，就会转动一个固定的角度。因为这是一种线性的关系，所以即使存在误差也并不会对其稳定的运行构成影响。这是步进电机被应用广泛的主要原因，同时也是区别于其它类型电机的一个特点。
步进电机一般分为永磁式、反应式和混合式。现阶段,二相混合式是最常被使用的，因为它的功能比较稳定，也能符合不同领域的要求。市场上常见的BYG通用系列二相步进电机是圆形混合式步进电机,步距角一般为1.8，也就是说在接收到一个单位信号后，会转动1.8个单位的角度。它一共具有两个绕组，并且分别由抽头来控制转动，所以它内部一共有六根阴险。在绕组通电后，定子磁极产生磁场,将转子吸合到相应的磁极处。电机的转动方向与绕组中定子产生磁场的方向相同。从其原理中可知，脉冲决定了电机的转动。
2.恒压与恒流驱动原理与仿真分析
2.1恒压驱动原理
恒压驱动结构上将三极管与电机的绕组串联，控制信号连接到三极管的基极，通过控制三极管的导通和关断实现电机的换向控制，保证电机的正常运动。当通电时控制电压加载在电机绕组两端，会造成稳态电流值过大，超过电机正常运转的电流范围，因此需要在回路中串联分压电阻，保证电流稳态时达到额定值。
恒压驱动的优点在于电路结构简单，功放器件少，设计的成本较低。而缺点在于高频运行条件下，受电感和反电势等因素影响，平均输出力矩降低，电机甚至无法正常运转。并且串联的电阻往往大于电机的相电阻，串联电阻分得了大部分的电压和功率，消耗比较多的电能，同时使得电机的转换效率明显降低。恒压驱动多用于对使用性能指标不是非常严格的情况或者小功率的步进电机的驱动设计上。
2.2恒流驱动原理
恒流驱动同样利用两个三极管Ｔ１、Ｔ２和电机的绕组串联，控制信号分别通过逻辑电路连接到两个三极管的基极，控制三极管Ｔ１和Ｔ２的导通和关断，实现电机的换向控制。
恒流驱动电路首先需要选择合适的采样电阻，根据电流的额定值，转换成相应的电压反馈信号，与设定的固定电平作比较，如果相电流没有达到额定值，将保持三极管t2和t1的导通状态，电机绕组继续通电，相电流继续上升。当相电流超过额定值，逻辑电路将使得三极管Ｔ１处于关断状态，电机绕组断电，相电流经二极管回路逐渐下降。通过上述过程，使得相电流在额定值附近不断的波动，形成锯齿波，波动的频率由绕组的电感值、比较器的回差等因素所决定。
恒流驱动属于间歇式的供电方式，具有很高的效率。当电流上升到预定值时，取样电阻上的电压因为有反馈控制作用，这样能把绕组电流控制在一个合理的区间内，避免能量过剩导致的低频共振现象。此外，高频响应特性明显改善，斩波频率可调，消除了高频噪声，输出的转矩也基本恒定，运行较为安静。
基于电流滞环控制的恒流驱动只有两种输出状态：开启和关闭。对于这种“开”、“关”的工作方式，可等价为BANG-BANG的开关控制。这是一种非线性控制，它利用最佳控制函数，使得控制信号交替工作在其极限值，以达到最短时间内达到指定状态的目的。它是基于最小时间控制理论的时间最优控制。这种控制是一种开关控制，其控制输出是离散的数值。它将系统的控制作用维持在极限值上，而且不断的从一个极限值切换到另一个极限值，构成一种最大力量的控制，这样设计出来的系统是在现实基础上最快的系统。
3.恒压与恒流控制系统设计
3.1恒压驱动电路设计
LMD18200提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。双极性的驱动方式利用方向控制DIR信号的占空比控制加载电压的正负，当占空比为50％时，输出电压为0Ｖ；占空比大于50％时，输出电压为正；反之，输出电压为负。单极性的驱动方式根据方向控制DIR信号的高低电平判断加载电压的正负，控制电流的流向，输出电压的幅值由LMD18200的PWM信号占空比决定。双极性电流波动和功率损耗较大，所以系统中采用单极性驱动。
LMD18200的方向控制DIR信号、使能BRAKE信号和占空比PWM信号由FPGA控制输出。使能BRAKE信号为高电平时，电机电枢绕组电流将被短路从而停止运动；方向控制DIR信号为占空比50％的方波信号，两相电机的方向控制DIR信号相位差为90°；占空比PWM信号始终接高电平，以实现恒压的驱动方式。
3.2恒流驱动电路设计
恒流驱动电路设计中，占空比PWM信号不是FPGA所控制，而是连接在由LM139搭建的电流滞环控制电路的输出端。恒流驱动电路原理图如图所示。
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恒流驱动电路中，绕组上不需要串联分压电阻。LMD18200的8脚输出电流取样信号，可以按比例输出相电流的数值，比例关系为377MA/A。通过将输出电流匹配合适采样电阻进行电流反馈，转成电压值进行反馈以实现恒流控制。根据LMD18200使用手册的要求，匹配后的输出电压不得超过12V，设计上在相电流达到额定值0.95A时，反馈电压为7.9V。
电流滞环控制电路主要由LM139组成，四路独立的低功率高精度电压比较器，供电电压最高为30V。恒流驱动需要设置合理的滞环宽度、环宽过大、跟踪性能无法保证，控制效果差，失去了恒流驱动的意义；反之对功率器件的开关进行频繁的导通与关断操作，严重影响开关管的寿命，功率器件发热严重，并且可能导致系统的不稳定。
根据测试结果，当电流过大，反馈电压超过上限值8.1V时，滞环电路输出0V，则LMD18200的占空比ＰＷＭ信号为低电平，相电压输出幅值为0；当电流过小，反馈电压低于下限值7.6V时，滞环电路输出+5V，则LMD18200的占空比PWM信号为高电平，相电压输出为功率电压+24V。通过电流滞环电路，实现了步进电机的滞环恒流驱动控制。
4.结语
电路设计对于步进电机来说十分重要，会对其功能性产生影响，同时也决定了能否稳定的运行。通过观察，可以发现常规的电路虽然比较常用，并且也比较稳定，但是这仅限于生活中的电能供给。在高频条件下，它可能会受到影响，进而让电机失灵。因此在对电路进行设计时，需要考虑到这个问题。一般来讲，利用恒流驱动电路进行设计，电流的上升速度更快，电机也就能以更加稳定的状态工作。这样不仅能让系统始终处在稳定态，还能让电机的灵敏度更高。
参考文献：
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