步进电机细分驱动技术

步进电机的驱动是靠给步进电机的各相励磁绕组轮流通以电流,实现步进电机内部磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。图1是三相反应式步进电机的磁场矢量图。图1的矢量T-A,T-B,T-C为步进电机A，B，C三相励磁绕组分别通电时产生的磁场矢量，T-AB，T-BC，T-CA为步进电机中AB，BC，CA两相同时通电产生的合成磁场矢量。从图1a中可以看出,当给步进电机的A，B，C三相轮流通电时，步进电机的内部磁场从T-A变化到T-B再变化到T-C，即磁场产生了旋转。一般情况下,当步进电机的内部磁场变化一周(360°角)时，电机的转子转过一个齿距，因此，步进电机的步距角θB可表示为： θB=θM/Nr

式中，Nr为步进电机的转子齿数；θM为步进电机运行时两相邻稳定磁场之间的夹角。

为了对步进电机的相电流进行控制，从而达到细分步进电机步距角的目的，人们曾设计了很多种步进电机的细分驱动电路。最初，对电机相电流的控制是由硬件来实现的，每一相绕组的相电流用n个晶体管构成n个并联回路来控制，靠晶体管导通数的组合来控制相电流。这种细分驱动电路线路复杂，体积大，成本高，而且电路一旦制造出来就难以改变其细分数，缺乏柔性，因此在的实际应用中已很少采用这种方法。

随着微型计算机的发展，特别是单片计算机的出现，为步进电机的细分驱动带来了便利。步进电机细分驱动电路大多数都采用单片微机控制，它们的构成框图如图2所示。单片机根据要求的步距角计算出各项绕组中通过的电流值,并输出到数模转换器(D/A)中，由D/A把数字量转换为相应的模拟电压，经过环形分配器加到各相的功放电路上，控制功放电路给各相绕组通以相应的电流，来实现步进电机的细分。

单片机控制的步进电机细分驱动电路根据末级功放管的工作状态可分为放大型和开关型两种。放大型步进电机细分驱动电路中末级功放管的输出电流直接受单片机输出的控制电压控制，电路较简单，电流的控制精度也较高，但是由于末级功放管工作在放大状态，使功放管上的功耗较大，发热严重，容易引起晶体管的温漂，影响驱动电路的性能。甚至还可能由于晶体管的热击穿，使电路不能正常工作。因此该驱动电路一般应用于驱动电流较小、控制精度较高、散热情况较好的场合。

开关型步进电机细分驱动电路中的末级功放管工作在开关状态，从而使得晶体管上的功耗大大降低，克服了放大型细分电路中晶体管发热严重的问题。但电路较复杂，输出的电流有一定的波纹。因此该驱动电路一般用于输出力矩较大的步进电机的驱动。随着大输出力矩步进电机的发展，开关型细分驱动电路近年来得到长足的发展。

最常用的开关型步进电机细分驱动电路有斩波式和脉宽调制(PWM)式两种。斩波式细分驱动电路的基本工作原理是对电机绕组中的电流进行检测,和D/A输出的控制电压进行比较，若检测出的电流值大于控制电压，电路将使功放管截止，反之，使功放管导通。这样，D/A输出不同的控制电压，绕组中将流过不同的电流值。脉宽调制式细分驱动电路是把D/A输出的控制电压加在脉宽调制电路的输入端，脉宽调制电路将输入的控制电压转换成相应脉冲宽度的矩形波，通过对功放管通断时间的控制，改变输出到电机绕组上的平均电流。由于电机绕组是一个感性负载，对电流有一定的滤波作用，而且脉宽调制电路的调制频率较高，一般大于20 kHz，因此，虽然是断续通电，但电机绕组中的电流还是较平稳的。和斩波式细分驱动电路相比，脉宽调制式细分驱动电路的控制精度高、工作频率稳定，但线路较复杂。因此，脉宽调制式细分驱动电路多用于综合驱动性能要求较高的场合。脉宽调制式细分驱动电路的关键是脉宽调制，它的作用是将给定的电压信号调制成具有相应脉冲宽度的矩形波。2100433B

步进电机细分驱动技术首先是由美国学者T.RrFedriksen在美国增量运动控制系统及器件年会上提出。最初，对步进电机相电流的控制是由硬件来实现的，每一相绕组的相电流用n个晶体管构成n个并联回路来控制，靠晶体管导通数的组合来控制相电流。随着计算机技术的发展，特别是单片机的出现，开创了步进电机细分驱动技术的新局面。用单片机控制的步进电机细分驱动电路不仅减小了控制系统的体积、简化了电路，同时进一步提高了细分精度和控制系统的智能化，从而使细分驱动技术得到了推广。

国内步进电机细分驱动技术在九十年代中期得到了较大发展，主要应用在工业、航天、机器人、精密测量等领域，如数控机床、跟踪卫星用光电经纬仪中采用了步进电机细分驱动技术，大大提高了控制与测量精度。

曲面细分NVIDIA细分

作为GPU领域的领军者，nVIDIA认为曲面细分技术所代表的GPU几何性能是新一代显卡最重要的功能，也是DirectX 11最重要的组成部分。GPU的发展从Geforce FX5800时代发展到Geforce GTX285，五代时间内像素处理能力增长了1500%，而几何性能只增长了300%。因此nVIDIA认为几何性能已经成为制约GPU性能的瓶颈，在新一代Fermi架构（费米架构，包括GT400，GT500系列显卡）中，要专门加强几何处理能力，曲面细分作为几何处理的典范便首先得到了加强。

在Fermi架构中，nVIDIA通过PolyMorph Engine，将Tessellation任务分配给CUDA单元（CUDA单元也就是通常说的“流处理器”，nVIDIA称其为CUDA单元）处理。Fermi第一代旗舰显卡GTX480拥有15个PolyMorph Engine，也就等效于拥有15个具有Tessellation技术处理能力的单元。

nVIDIA这样做的优点在于，可以在高曲面细分负载下获得优秀的曲面细分能力，也就是在纯Tessellation计算中GPU的几何性能相当出色。在单纯的Tessellation计算中，nVIDIA以16倍于AMD的Tessellation处理单元的数量，得到了6倍于AMD的Tessellation处理能力。不过缺点在于，这种设计占用了CUDA单元的计算能力，前文说过，曲面细分并不是DirectX 11的全部。在实际游戏中，并不是单纯的Tessellation计算。CUDA单元还要处理其他游戏相关的3D渲染数据，如果游戏中3D渲染数据处理需求不大，这种设计就不成问题，不过一旦3D渲染数据处理需求很大，比如高分辨率，高全屏抗锯齿，丰富的光影效果等，那么这种设计的缺陷就会暴露出来。

这就是在3DMARK 11中，GTX460成绩不如HD5830的原因之一，3DMARK软件图形、光照、抗锯齿计算压力很大，GPU还要分出CUDA单元去处理曲面细分计算，因此整体计算能力便捉襟见肘。再比如在《地铁2033》中，即使GTX580也不能打开全部效果在1080P下全程流畅运行， 且表现不及HD5970 。这与nVIDIA的曲面细分实现方法也是有关的。

曲面细分AMD细分

作为Tessellation技术的开发者，AMD(ATI) 对曲面细分的态度有所不同。AMD认为，在当前的DirectX 11游戏中，将一个物体的细分后最小的像素在16个是比较合适的，过分的加大曲面细分负载所带来的变化，是人的肉眼无法分辨的。因此AMD坚持对模型做适度的Tessellation处理才是理智的，过分的加大Tessellation计算负载，只是在白白浪费计算资源，因为人的肉眼无法分辨。

在Evergreen架构（即HD5000系列）中，AMD秉承了自R600以来的做法，集成了一个专用的Tessellation处理单元。在之后的Northern Islands架构的Barts核心中（即HD6800系列），AMD又对Tessellation处理单元做了优化，通过增强的线程分配模块设计，Barts核心在低Tessellation计算负载下拥有1.5倍于5800系列的处理能力。当然高负载下仍然不理想。之后的采用Cayman核心的HD6900系列显卡，则将专用的Tessellation处理单元增加到2个。

AMD这种设计的优点在于，专用的Tessellation单元并不占用流处理器资源，不影响3D渲染数据的计算。在实际游戏中，画面分辨率越高，抗锯齿级别越高，3D渲染处理需求越大，这种设计的优势就越明显。

其缺点是，在3D渲染数据处理需求不大时，遇到高负载Tessellation计算，便力不从心。

2011年12月22日，AMD发布了新一代测采用SI GCN架构的AMD Radeon HD7970显卡。得益于GCN架构，其曲面细分计算能力也得到了飞跃式的发展。HD7970显卡的曲面细分单元概念被几何引擎流水线所代替，仍为专用的2个，但是采用了最新的硬件Tessellation迭代单元，提高了顶点的复用度、片外缓存设计有所增强、采用了更大参数的高速缓存，因此HD7970的Tessellation和几何缓存都有显著的增强，能在所有拆分倍率下达到4 倍于HD6970 。与竞争对手相比，HD7970较之于GTX580，以八分之一的几何引擎数量获得了1.6倍的性能。特别是这种设计仍不会占用显卡的3D数据计算资源。

细分驱动电源步进电动机

折波电路虽然复杂,但它使步进电动机的运行特性有了明显的改善,提高了快速响应性，可以在很大的频率范围内保证步进电动机能输出恒定的转矩随着步进电动机在各方面的广泛应用，其驱动装置也从分立元件电路发展到集成元件电路,目前已经形成了系列化、模块化的步进电动机驱动器,为步进电动机控制系统的设计，提供了模块化的选择，简化了设计过程,提高了效率。

图3中所示为上海开通数控有限公司生产的KT350型混合式步进电动机驱动器外形图。各生产厂家生产的步进电动机驱动器虽然标准不同，但其接口定义基本相同，只要了解接口中接线端子、标准接口及拨动开关的定义和使用，即可利用驱动器构成步进电动机的控制系统。

混合式步进电动机内部结构特殊，是一类高度非线性的机电装置。 1986年Hanselman采用磁场的“磁网络单元法”来计算反应式步进电机的磁场。1988年，G Heine提出了精确的混合式步进电机的等值磁网络模型，首次在模型中考虑了定子极间漏磁通，每极边缘转矩对电机矩角特性及步距误差的影响，分析了四相混合式步进电机谐波转矩对电机矩角特性及步距误差的影响，但是这种模型耗费的机时量仍然很大 。

为简化数学分析， 沿用G.Heine提出的混合式步进电机等值磁网络模型，以典型的二相八极混合式步进电动机，忽略铁心饱和和高次谐波对电机磁系统的影响 (铁心饱和和高次谐波往往是步进电机极限运行时的状况，正常运行时，不会对定性分析的结论有原则性的影响)，建立了分析细分驱动的简化基本数学模型。混合式步进电动机绕组电感参数的特点与普通电机有区别，具有轴向和径向混合的磁系统，定转子双凸结构。在二相混合式步进电机磁网络模型简化磁路图中，定子八个极中在直径上相对的两个极的电磁状态完全相同，可以合并。这样电机的每一端只有4条支路。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自戴化设备中。

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。当步进驱私器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进申机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。