开环工作方式下，步进电动机走步的均匀性与驱动电路形式密切相关。五相混合式步进电动机主电路驱动控制方式有升频升压驱动和定压恒流斩波等驱动方式，定子绕组联接有五相星接、五边形联接和五相全H桥联接三种方式。定压恒流斩波驱动适合于对高速力矩和抗冲击性有高要求的场合。实践中发现：驱动主电路采用下桥臂电流恒定值不变式定压恒流斩波，定子绕组五边形联接时，电机在低频率下运行，有走步不均匀性现象。本文对此进行了详细分析，并提出了下桥臂恒流值可变式恒流斩波驱动方案。

1基本概念

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　　图1所示为定子绕组五边形联接桥式驱动主电路原理图，各绕组按一定的供电模式依次供电。为产生较大转矩的角度，可以采取4-4、5-5或4-5相励磁方式。五相混合式步进电动机是按照组合电磁铁理论设计的，与定位电磁铁位置有直接关系的10根基本转矩矢量如图2，各矢量依次相差36°电角度。基本转矩矢量的相位关系只取决于电动机的结构，也就是定子磁极中心线的空间位置，与各相绕组电流大小无关，且精度容易保证，而由基本转矩矢量合成的派生转矩矢量与各相绕组电流大小密切相关。一相绕组产生的基波电磁转矩为：
　　
式中N—每相绕组的串联匝数；NI—每相绕组的磁动势；Z2—转子的齿数；θ—矩角；Ad—直轴磁导；Aq—交轴磁导。
　　电磁转矩最大值Tmax与每相绕组磁动势(或相电流)的平方成正比，所以步进电动机属于对绕组电流十分敏感的传动电动机。



2下桥臂恒流值不变式恒流斩波走步均匀性分析
　　主电路如图1示，下桥臂电流恒定值固定为相绕组额定电流的两倍2I。以半步运行为例，4-5励磁的20种通电状态中4相励磁与5相励磁交替进行，根据环分控制逻辑不难分析，主电路稳态等值电路基本结构为4拍一循环，所以单步响应特性也是4拍一循环。混合式步进电动机的驱动控制主要体现为对转矩矢量的控制，而绕组电流又直接与转矩相关。以一相绕组通以额定电流I产生的定位转矩T为基准，首先分析相邻4拍 绕组电流及其相应派生定位转矩矢量的变化规律。
　　
　　派生定位转矩矢量为：
　　
　　派生定位转矩矢量为
　　
　　派生定位转矩矢量为
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　　从以上分析可以看出：派生定位转矩矢量变化不均匀，表现在大小上不一样，转矩波动相当明显，最大值是最小值的2.15倍；相位变化也不均匀，5相励磁产生了附加步距误差。这些因素反映在步进电动机低频运行时，走步有明显的“强”“弱”或“重”“轻”，加剧了电机的低频震荡，这对低速工作是不利的，另外步矩角的不均匀也影响到系统的脉冲当量。

3改进方案
　　若改下桥臂恒流斩波的电流恒定值随绕组励磁状态变化，可以改善定位转矩矢量变化的均匀性。具体分析如下。
　
　　条件：B相下桥臂恒流斩波的电流恒定值为2I；D相下桥臂恒流斩波的电流恒定值为1.5I。各相绕组电
　　
　
　　条件：D相下桥臂恒流斩波的电流恒定值为2I；B相下桥臂恒流斩波的电流恒定值为1.5I。各相绕组电
　　
　　条件：D相下桥臂恒流斩波的电流恒定值为2I；A、E相下桥臂恒流斩波的电流恒定值为I；各相绕组电


　　由以上分析不难看出，派生定位转矩矢量变化的均匀性得到较大改善，转矩波动相当小，最大值仅是最小值的1.11倍，且无附加步距误差。


4电流控制方案的实现
　　按照改进方案，每相下桥臂恒流斩波的电流恒定值随绕组励磁状态变化，在下桥臂开通时根据励磁状态不同有I、1.5I和2I三种取值，电路如图3，通过开关切换改变电阻分压值得到所要求的电流设定值。模拟开关k1a和k2a可采用CD4066集成电路实现。



　　取样电阻RA确定后，k1ak2a=00时，下桥臂电流设定值为2I，比较器U“+”端门限值应为：
　　
　　由式(1)可确定电阻R0和R1的阻值。
　　k1ak2a=10时，比较器U“+”端门限值为
　　
　　由上式可确定电阻R3的阻值。
　　表1为整个五相电流控制开关与环分信号对应的开关真值表。某相下桥臂未开通时，表中的逻辑值为随意值。开关真值表可结合环分信号用EPROM或CPLD等器件来实现。




　　下桥臂恒流值可变式恒流斩波驱动方案经实践证明，步进电动机低频走步均匀性和低频震荡等性能的改善明显好于下桥臂电流恒定值不变式恒流斩波驱动方案。实践中，考虑到工件工作在低速区，同时兼顾电机要有良好高频运行特性，步进电动机可分频段采用不同驱动方案，即低速运行时采用下桥臂恒流值可变式恒流斩波驱动，高速运行时采用下桥臂电流恒定值不变式恒流斩波驱动(相当于所有的电流控制开关全断开)，两种模式在运行中的自动切换可方便地通过判频电路来实现。