步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是靠給步進(jìn)電機(jī)的各相勵(lì)磁繞組輪流通以電流,實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)合成方向的變化來使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的。圖1是三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的磁場(chǎng)矢量圖。圖1的矢量T-A,T-B,T-C為步進(jìn)電機(jī)A，B，C三相勵(lì)磁繞組分別通電時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)矢量，T-AB，T-BC，T-CA為步進(jìn)電機(jī)中AB，BC，CA兩相同時(shí)通電產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)矢量。從圖1a中可以看出,當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)的A，B，C三相輪流通電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部磁場(chǎng)從T-A變化到T-B再變化到T-C，即磁場(chǎng)產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)。一般情況下,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部磁場(chǎng)變化一周(360°角)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，因此，步進(jìn)電機(jī)的步距角θB可表示為： θB=θM/Nr

式中，Nr為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)；θM為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)兩相鄰穩(wěn)定磁場(chǎng)之間的夾角。

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)首先是由美國(guó)學(xué)者T.RrFedriksen在美國(guó)增量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及器件年會(huì)上提出。最初，對(duì)步進(jìn)電機(jī)相電流的控制是由硬件來實(shí)現(xiàn)的，每一相繞組的相電流用n個(gè)晶體管構(gòu)成n個(gè)并聯(lián)回路來控制，靠晶體管導(dǎo)通數(shù)的組合來控制相電流。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是單片機(jī)的出現(xiàn)，開創(chuàng)了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的新局面。用單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路不僅減小了控制系統(tǒng)的體積、簡(jiǎn)化了電路，同時(shí)進(jìn)一步提高了細(xì)分精度和控制系統(tǒng)的智能化，從而使細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了推廣。

國(guó)內(nèi)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)在九十年代中期得到了較大發(fā)展，主要應(yīng)用在工業(yè)、航天、機(jī)器人、精密測(cè)量等領(lǐng)域，如數(shù)控機(jī)床、跟蹤衛(wèi)星用光電經(jīng)緯儀中采用了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，大大提高了控制與測(cè)量精度。

為了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的相電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到細(xì)分步進(jìn)電機(jī)步距角的目的，人們?cè)O(shè)計(jì)了很多種步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。最初，對(duì)電機(jī)相電流的控制是由硬件來實(shí)現(xiàn)的，每一相繞組的相電流用n個(gè)晶體管構(gòu)成n個(gè)并聯(lián)回路來控制，靠晶體管導(dǎo)通數(shù)的組合來控制相電流。這種細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路線路復(fù)雜，體積大，成本高，而且電路一旦制造出來就難以改變其細(xì)分?jǐn)?shù)，缺乏柔性，因此在的實(shí)際應(yīng)用中已很少采用這種方法。

隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，特別是單片計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，為步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)帶來了便利。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路大多數(shù)都采用單片微機(jī)控制，它們的構(gòu)成框圖如圖2所示。單片機(jī)根據(jù)要求的步距角計(jì)算出各項(xiàng)繞組中通過的電流值,并輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)中，由D/A把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓，經(jīng)過環(huán)形分配器加到各相的功放電路上，控制功放電路給各相繞組通以相應(yīng)的電流，來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分。

單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)末級(jí)功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開關(guān)型兩種。放大型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中末級(jí)功放管的輸出電流直接受單片機(jī)輸出的控制電壓控制，電路較簡(jiǎn)單，電流的控制精度也較高，但是由于末級(jí)功放管工作在放大狀態(tài)，使功放管上的功耗較大，發(fā)熱嚴(yán)重，容易引起晶體管的溫漂，影響驅(qū)動(dòng)電路的性能。甚至還可能由于晶體管的熱擊穿，使電路不能正常工作。因此該驅(qū)動(dòng)電路一般應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)電流較小、控制精度較高、散熱情況較好的場(chǎng)合。

開關(guān)型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中的末級(jí)功放管工作在開關(guān)狀態(tài)，從而使得晶體管上的功耗大大降低，克服了放大型細(xì)分電路中晶體管發(fā)熱嚴(yán)重的問題。但電路較復(fù)雜，輸出的電流有一定的波紋。因此該驅(qū)動(dòng)電路一般用于輸出力矩較大的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。隨著大輸出力矩步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展，開關(guān)型細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路近年來得到長(zhǎng)足的發(fā)展。

最常用的開關(guān)型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路有斬波式和脈寬調(diào)制(PWM)式兩種。斬波式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的基本工作原理是對(duì)電機(jī)繞組中的電流進(jìn)行檢測(cè),和D/A輸出的控制電壓進(jìn)行比較，若檢測(cè)出的電流值大于控制電壓，電路將使功放管截止，反之，使功放管導(dǎo)通。這樣，D/A輸出不同的控制電壓，繞組中將流過不同的電流值。脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路是把D/A輸出的控制電壓加在脈寬調(diào)制電路的輸入端，脈寬調(diào)制電路將輸入的控制電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)脈沖寬度的矩形波，通過對(duì)功放管通斷時(shí)間的控制，改變輸出到電機(jī)繞組上的平均電流。由于電機(jī)繞組是一個(gè)感性負(fù)載，對(duì)電流有一定的濾波作用，而且脈寬調(diào)制電路的調(diào)制頻率較高，一般大于20 kHz，因此，雖然是斷續(xù)通電，但電機(jī)繞組中的電流還是較平穩(wěn)的。和斬波式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路相比，脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的控制精度高、工作頻率穩(wěn)定，但線路較復(fù)雜。因此，脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路多用于綜合驅(qū)動(dòng)性能要求較高的場(chǎng)合。脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵是脈寬調(diào)制，它的作用是將給定的電壓信號(hào)調(diào)制成具有相應(yīng)脈沖寬度的矩形波。2100433B

曲面細(xì)分NVIDIA細(xì)分

作為GPU領(lǐng)域的領(lǐng)軍者，nVIDIA認(rèn)為曲面細(xì)分技術(shù)所代表的GPU幾何性能是新一代顯卡最重要的功能，也是DirectX 11最重要的組成部分。GPU的發(fā)展從Geforce FX5800時(shí)代發(fā)展到Geforce GTX285，五代時(shí)間內(nèi)像素處理能力增長(zhǎng)了1500%，而幾何性能只增長(zhǎng)了300%。因此nVIDIA認(rèn)為幾何性能已經(jīng)成為制約GPU性能的瓶頸，在新一代Fermi架構(gòu)（費(fèi)米架構(gòu)，包括GT400，GT500系列顯卡）中，要專門加強(qiáng)幾何處理能力，曲面細(xì)分作為幾何處理的典范便首先得到了加強(qiáng)。

在Fermi架構(gòu)中，nVIDIA通過PolyMorph Engine，將Tessellation任務(wù)分配給CUDA單元（CUDA單元也就是通常說的“流處理器”，nVIDIA稱其為CUDA單元）處理。Fermi第一代旗艦顯卡GTX480擁有15個(gè)PolyMorph Engine，也就等效于擁有15個(gè)具有Tessellation技術(shù)處理能力的單元。

nVIDIA這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于，可以在高曲面細(xì)分負(fù)載下獲得優(yōu)秀的曲面細(xì)分能力，也就是在純Tessellation計(jì)算中GPU的幾何性能相當(dāng)出色。在單純的Tessellation計(jì)算中，nVIDIA以16倍于AMD的Tessellation處理單元的數(shù)量，得到了6倍于AMD的Tessellation處理能力。不過缺點(diǎn)在于，這種設(shè)計(jì)占用了CUDA單元的計(jì)算能力，前文說過，曲面細(xì)分并不是DirectX 11的全部。在實(shí)際游戲中，并不是單純的Tessellation計(jì)算。CUDA單元還要處理其他游戲相關(guān)的3D渲染數(shù)據(jù)，如果游戲中3D渲染數(shù)據(jù)處理需求不大，這種設(shè)計(jì)就不成問題，不過一旦3D渲染數(shù)據(jù)處理需求很大，比如高分辨率，高全屏抗鋸齒，豐富的光影效果等，那么這種設(shè)計(jì)的缺陷就會(huì)暴露出來。

這就是在3DMARK 11中，GTX460成績(jī)不如HD5830的原因之一，3DMARK軟件圖形、光照、抗鋸齒計(jì)算壓力很大，GPU還要分出CUDA單元去處理曲面細(xì)分計(jì)算，因此整體計(jì)算能力便捉襟見肘。再比如在《地鐵2033》中，即使GTX580也不能打開全部效果在1080P下全程流暢運(yùn)行， 且表現(xiàn)不及HD5970 。這與nVIDIA的曲面細(xì)分實(shí)現(xiàn)方法也是有關(guān)的。

曲面細(xì)分AMD細(xì)分

作為Tessellation技術(shù)的開發(fā)者，AMD(ATI) 對(duì)曲面細(xì)分的態(tài)度有所不同。AMD認(rèn)為，在當(dāng)前的DirectX 11游戲中，將一個(gè)物體的細(xì)分后最小的像素在16個(gè)是比較合適的，過分的加大曲面細(xì)分負(fù)載所帶來的變化，是人的肉眼無法分辨的。因此AMD堅(jiān)持對(duì)模型做適度的Tessellation處理才是理智的，過分的加大Tessellation計(jì)算負(fù)載，只是在白白浪費(fèi)計(jì)算資源，因?yàn)槿说娜庋蹮o法分辨。

在Evergreen架構(gòu)（即HD5000系列）中，AMD秉承了自R600以來的做法，集成了一個(gè)專用的Tessellation處理單元。在之后的Northern Islands架構(gòu)的Barts核心中（即HD6800系列），AMD又對(duì)Tessellation處理單元做了優(yōu)化，通過增強(qiáng)的線程分配模塊設(shè)計(jì)，Barts核心在低Tessellation計(jì)算負(fù)載下?lián)碛?.5倍于5800系列的處理能力。當(dāng)然高負(fù)載下仍然不理想。之后的采用Cayman核心的HD6900系列顯卡，則將專用的Tessellation處理單元增加到2個(gè)。

AMD這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，專用的Tessellation單元并不占用流處理器資源，不影響3D渲染數(shù)據(jù)的計(jì)算。在實(shí)際游戲中，畫面分辨率越高，抗鋸齒級(jí)別越高，3D渲染處理需求越大，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)就越明顯。

其缺點(diǎn)是，在3D渲染數(shù)據(jù)處理需求不大時(shí)，遇到高負(fù)載Tessellation計(jì)算，便力不從心。

2011年12月22日，AMD發(fā)布了新一代測(cè)采用SI GCN架構(gòu)的AMD Radeon HD7970顯卡。得益于GCN架構(gòu)，其曲面細(xì)分計(jì)算能力也得到了飛躍式的發(fā)展。HD7970顯卡的曲面細(xì)分單元概念被幾何引擎流水線所代替，仍為專用的2個(gè)，但是采用了最新的硬件Tessellation迭代單元，提高了頂點(diǎn)的復(fù)用度、片外緩存設(shè)計(jì)有所增強(qiáng)、采用了更大參數(shù)的高速緩存，因此HD7970的Tessellation和幾何緩存都有顯著的增強(qiáng)，能在所有拆分倍率下達(dá)到4 倍于HD6970 。與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，HD7970較之于GTX580，以八分之一的幾何引擎數(shù)量獲得了1.6倍的性能。特別是這種設(shè)計(jì)仍不會(huì)占用顯卡的3D數(shù)據(jù)計(jì)算資源。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

折波電路雖然復(fù)雜,但它使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性有了明顯的改善,提高了快速響應(yīng)性，可以在很大的頻率范圍內(nèi)保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在各方面的廣泛應(yīng)用，其驅(qū)動(dòng)裝置也從分立元件電路發(fā)展到集成元件電路,目前已經(jīng)形成了系列化、模塊化的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器,為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提供了模塊化的選擇，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程,提高了效率。

圖3中所示為上海開通數(shù)控有限公司生產(chǎn)的KT350型混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器外形圖。各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器雖然標(biāo)準(zhǔn)不同，但其接口定義基本相同，只要了解接口中接線端子、標(biāo)準(zhǔn)接口及撥動(dòng)開關(guān)的定義和使用，即可利用驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)。

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊，是一類高度非線性的機(jī)電裝置。 1986年Hanselman采用磁場(chǎng)的“磁網(wǎng)絡(luò)單元法”來計(jì)算反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的磁場(chǎng)。1988年，G Heine提出了精確的混合式步進(jìn)電機(jī)的等值磁網(wǎng)絡(luò)模型，首次在模型中考慮了定子極間漏磁通，每極邊緣轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)矩角特性及步距誤差的影響，分析了四相混合式步進(jìn)電機(jī)諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)矩角特性及步距誤差的影響，但是這種模型耗費(fèi)的機(jī)時(shí)量仍然很大 。

為簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)分析， 沿用G.Heine提出的混合式步進(jìn)電機(jī)等值磁網(wǎng)絡(luò)模型，以典型的二相八極混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，忽略鐵心飽和和高次諧波對(duì)電機(jī)磁系統(tǒng)的影響 (鐵心飽和和高次諧波往往是步進(jìn)電機(jī)極限運(yùn)行時(shí)的狀況，正常運(yùn)行時(shí)，不會(huì)對(duì)定性分析的結(jié)論有原則性的影響)，建立了分析細(xì)分驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)化基本數(shù)學(xué)模型。混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組電感參數(shù)的特點(diǎn)與普通電機(jī)有區(qū)別，具有軸向和徑向混合的磁系統(tǒng)，定轉(zhuǎn)子雙凸結(jié)構(gòu)。在二相混合式步進(jìn)電機(jī)磁網(wǎng)絡(luò)模型簡(jiǎn)化磁路圖中，定子八個(gè)極中在直徑上相對(duì)的兩個(gè)極的電磁狀態(tài)完全相同，可以合并。這樣電機(jī)的每一端只有4條支路。

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)用在各種自戴化設(shè)備中。

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)控制元件。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)私器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)申機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(即步進(jìn)角)?？梢酝ㄟ^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。