步進電機細分驅(qū)動技術(shù)

步進電機的驅(qū)動是靠給步進電機的各相勵磁繞組輪流通以電流,實現(xiàn)步進電機內(nèi)部磁場合成方向的變化來使步進電機轉(zhuǎn)動的。圖1是三相反應(yīng)式步進電機的磁場矢量圖。圖1的矢量T-A,T-B,T-C為步進電機A，B，C三相勵磁繞組分別通電時產(chǎn)生的磁場矢量，T-AB，T-BC，T-CA為步進電機中AB，BC，CA兩相同時通電產(chǎn)生的合成磁場矢量。從圖1a中可以看出,當(dāng)給步進電機的A，B，C三相輪流通電時，步進電機的內(nèi)部磁場從T-A變化到T-B再變化到T-C，即磁場產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)。一般情況下,當(dāng)步進電機的內(nèi)部磁場變化一周(360°角)時，電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距，因此，步進電機的步距角θB可表示為： θB=θM/Nr

式中，Nr為步進電機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)；θM為步進電機運行時兩相鄰穩(wěn)定磁場之間的夾角。

為了對步進電機的相電流進行控制，從而達到細分步進電機步距角的目的，人們曾設(shè)計了很多種步進電機的細分驅(qū)動電路。最初，對電機相電流的控制是由硬件來實現(xiàn)的，每一相繞組的相電流用n個晶體管構(gòu)成n個并聯(lián)回路來控制，靠晶體管導(dǎo)通數(shù)的組合來控制相電流。這種細分驅(qū)動電路線路復(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分數(shù)，缺乏柔性，因此在的實際應(yīng)用中已很少采用這種方法。

隨著微型計算機的發(fā)展，特別是單片計算機的出現(xiàn)，為步進電機的細分驅(qū)動帶來了便利。步進電機細分驅(qū)動電路大多數(shù)都采用單片微機控制，它們的構(gòu)成框圖如圖2所示。單片機根據(jù)要求的步距角計算出各項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，來實現(xiàn)步進電機的細分。

單片機控制的步進電機細分驅(qū)動電路根據(jù)末級功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開關(guān)型兩種。放大型步進電機細分驅(qū)動電路中末級功放管的輸出電流直接受單片機輸出的控制電壓控制，電路較簡單，電流的控制精度也較高，但是由于末級功放管工作在放大狀態(tài)，使功放管上的功耗較大，發(fā)熱嚴重，容易引起晶體管的溫漂，影響驅(qū)動電路的性能。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)動電路一般應(yīng)用于驅(qū)動電流較小、控制精度較高、散熱情況較好的場合。

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

最常用的開關(guān)型步進電機細分驅(qū)動電路有斬波式和脈寬調(diào)制(PWM)式兩種。斬波式細分驅(qū)動電路的基本工作原理是對電機繞組中的電流進行檢測,和D/A輸出的控制電壓進行比較，若檢測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)制式細分驅(qū)動電路是把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，通過對功放管通斷時間的控制，改變輸出到電機繞組上的平均電流。由于電機繞組是一個感性負載，對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，但電機繞組中的電流還是較平穩(wěn)的。和斬波式細分驅(qū)動電路相比，脈寬調(diào)制式細分驅(qū)動電路的控制精度高、工作頻率穩(wěn)定，但線路較復(fù)雜。因此，脈寬調(diào)制式細分驅(qū)動電路多用于綜合驅(qū)動性能要求較高的場合。脈寬調(diào)制式細分驅(qū)動電路的關(guān)鍵是脈寬調(diào)制，它的作用是將給定的電壓信號調(diào)制成具有相應(yīng)脈沖寬度的矩形波。2100433B

步進電機細分驅(qū)動技術(shù)首先是由美國學(xué)者T.RrFedriksen在美國增量運動控制系統(tǒng)及器件年會上提出。最初，對步進電機相電流的控制是由硬件來實現(xiàn)的，每一相繞組的相電流用n個晶體管構(gòu)成n個并聯(lián)回路來控制，靠晶體管導(dǎo)通數(shù)的組合來控制相電流。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是單片機的出現(xiàn)，開創(chuàng)了步進電機細分驅(qū)動技術(shù)的新局面。用單片機控制的步進電機細分驅(qū)動電路不僅減小了控制系統(tǒng)的體積、簡化了電路，同時進一步提高了細分精度和控制系統(tǒng)的智能化，從而使細分驅(qū)動技術(shù)得到了推廣。

國內(nèi)步進電機細分驅(qū)動技術(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、機器人、精密測量等領(lǐng)域，如數(shù)控機床、跟蹤衛(wèi)星用光電經(jīng)緯儀中采用了步進電機細分驅(qū)動技術(shù)，大大提高了控制與測量精度。

曲面細分NVIDIA細分

作為GPU領(lǐng)域的領(lǐng)軍者，nVIDIA認為曲面細分技術(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時代發(fā)展到Geforce GTX285，五代時間內(nèi)像素處理能力增長了1500%，而幾何性能只增長了300%。因此nVIDIA認為幾何性能已經(jīng)成為制約GPU性能的瓶頸，在新一代Fermi架構(gòu)（費米架構(gòu)，包括GT400，GT500系列顯卡）中，要專門加強幾何處理能力，曲面細分作為幾何處理的典范便首先得到了加強。

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PolyMorph Engine，也就等效于擁有15個具有Tessellation技術(shù)處理能力的單元。

nVIDIA這樣做的優(yōu)點在于，可以在高曲面細分負載下獲得優(yōu)秀的曲面細分能力，也就是在純Tessellation計算中GPU的幾何性能相當(dāng)出色。在單純的Tessellation計算中，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。不過缺點在于，這種設(shè)計占用了CUDA單元的計算能力，前文說過，曲面細分并不是DirectX 11的全部。在實際游戲中，并不是單純的Tessellation計算。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)計的缺陷就會暴露出來。

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

曲面細分AMD細分

作為Tessellation技術(shù)的開發(fā)者，AMD(ATI) 對曲面細分的態(tài)度有所不同。AMD認為，在當(dāng)前的DirectX 11游戲中，將一個物體的細分后最小的像素在16個是比較合適的，過分的加大曲面細分負載所帶來的變化，是人的肉眼無法分辨的。因此AMD堅持對模型做適度的Tessellation處理才是理智的，過分的加大Tessellation計算負載，只是在白白浪費計算資源，因為人的肉眼無法分辨。

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Tessellation處理單元做了優(yōu)化，通過增強的線程分配模塊設(shè)計，Barts核心在低Tessellation計算負載下?lián)碛?.5倍于5800系列的處理能力。當(dāng)然高負載下仍然不理想。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。

AMD這種設(shè)計的優(yōu)點在于，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)的計算。在實際游戲中，畫面分辨率越高，抗鋸齒級別越高，3D渲染處理需求越大，這種設(shè)計的優(yōu)勢就越明顯。

其缺點是，在3D渲染數(shù)據(jù)處理需求不大時，遇到高負載Tessellation計算，便力不從心。

2011年12月22日，AMD發(fā)布了新一代測采用SI GCN架構(gòu)的AMD Radeon HD7970顯卡。得益于GCN架構(gòu)，其曲面細分計算能力也得到了飛躍式的發(fā)展。HD7970顯卡的曲面細分單元概念被幾何引擎流水線所代替，仍為專用的2個，但是采用了最新的硬件Tessellation迭代單元，提高了頂點的復(fù)用度、片外緩存設(shè)計有所增強、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，能在所有拆分倍率下達到4 倍于HD6970 。與競爭對手相比，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)計仍不會占用顯卡的3D數(shù)據(jù)計算資源。

細分驅(qū)動電源步進電動機

折波電路雖然復(fù)雜,但它使步進電動機的運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)保證步進電動機能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩隨著步進電動機在各方面的廣泛應(yīng)用，其驅(qū)動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、模塊化的步進電動機驅(qū)動器,為步進電動機控制系統(tǒng)的設(shè)計，提供了模塊化的選擇，簡化了設(shè)計過程,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型混合式步進電動機驅(qū)動器外形圖。各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的步進電動機驅(qū)動器雖然標準不同，但其接口定義基本相同，只要了解接口中接線端子、標準接口及撥動開關(guān)的定義和使用，即可利用驅(qū)動器構(gòu)成步進電動機的控制系統(tǒng)。

混合式步進電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊，是一類高度非線性的機電裝置。 1986年Hanselman采用磁場的“磁網(wǎng)絡(luò)單元法”來計算反應(yīng)式步進電機的磁場。1988年，G Heine提出了精確的混合式步進電機的等值磁網(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)矩對電機矩角特性及步距誤差的影響，分析了四相混合式步進電機諧波轉(zhuǎn)矩對電機矩角特性及步距誤差的影響，但是這種模型耗費的機時量仍然很大 。

為簡化數(shù)學(xué)分析， 沿用G.Heine提出的混合式步進電機等值磁網(wǎng)絡(luò)模型，以典型的二相八極混合式步進電動機，忽略鐵心飽和和高次諧波對電機磁系統(tǒng)的影響 (鐵心飽和和高次諧波往往是步進電機極限運行時的狀況，正常運行時，不會對定性分析的結(jié)論有原則性的影響)，建立了分析細分驅(qū)動的簡化基本數(shù)學(xué)模型。混合式步進電動機繞組電感參數(shù)的特點與普通電機有區(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)。在二相混合式步進電機磁網(wǎng)絡(luò)模型簡化磁路圖中，定子八個極中在直徑上相對的兩個極的電磁狀態(tài)完全相同，可以合并。這樣電機的每一端只有4條支路。

步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自戴化設(shè)備中。

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。當(dāng)步進驅(qū)私器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進申機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(即步進角)。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。