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当然，凯文式接线方法只是缩短SPD引线的一种较好的方法，如果有条件采用应尽可能采用，但并不是所有地方都可以采用该方式，它大的缺陷是在大容量的配电系统中由于母线线径很大（或采用铜排），而SPD的接线端子容量有限，无法作此种方式连接。另外，由于电源线要先到SPD，再由SPD到配电设备或用电设备，不可避免地增加了两个接头，如果处理不得当，例如接触不良、接点氧化、松脱等，在电流较大时导致接点发热，轻者导致供电中断，严重的还会造成起火燃烧等恶性事故，这是有先例教训的。因此，凯文式接线方式并不是良药，还需要根据实际情况选择性地利用。
下面我们列举一个采用普通并联式接线方式与采用凯文式接线方式在基站环境的具体应用：
上图是普通并联式接线，由于安装前没有仔细考虑安装位置和布线，结果SPD的连线长度远远大于规范要求的0.5m的要求，开关电源进线端的残压等于防雷箱的残压加上6－9m导线的残压，防雷箱肯定起不到应有的保护效果。许多基站安装防雷箱后，雷击过后防雷箱也动作了（有雷击计数），但开关电源还会被雷击损坏，用户在厂家的误导下认为防雷箱容量太小，然后再加装大容量的防雷箱，实际改善效果并不明显。可以说，这与防雷箱的安装施工不规范有很大的关系。
上图是采用凯文式接线的实例，这样安装有几个好处：
1. 配电系统和设备的接地线不用改动，工程量小。
2. 防雷箱在前端可以保护后面所有的负载，保护全面。
3. 防雷箱安装在总接地母排旁边，引线短，残压低，雷电流入地通道合理，保护效果好。
4. 所有设备的接地均连接到总接地母排上，参考电位一致，无地电位反击的风险。
当然，上图的例子是比较理想情况下的，如果配电线线径过大、配电线不够长、室外无断路器、防雷箱无合适安装空间等，都会阻碍凯文式接线的实施。
工程中应把握全局、合理设计、遵循标准、灵活应用、细心施工、严守规范。凯文式接线在工程中要多加以利用，以期得到好的保护效果，但忽视具体应用环境，一味强调采用凯文式接线，也是不切实际的做法。
TMC428是TRINAMIC公司新开发的步进电机运动控制器，它可减少电机控制软件设计的工作量，降低开发成本。以它为核心（包括TMC236型步进电机驱动器）构成的3轴步进电机驱动控制系统具有尺寸小、控制简单的优点，可同时控制3个两相步进电机。
1、主要性能特点
TMC428是小尺寸、高性价比的二相步进电机控制芯片。它带有二个独立的SPI口，可分别与微处理器和带有SPI接口的步进电机驱动器相连以构成完整的系统。其控制指令可由微处理器通过SPI接口给定。TMC428提供了所有与数字运动控制有关的功能，包括位置控制、速度控制及微步控制等步进电机常用的控制功能。这些功能如果让微处理器来完成，则需占用大量的系统资源，所以它的使用可将微处理器解放出来，以把资源用在接口的扩展和对步进电机的更高层次的控制上。此外，TMC236也是TRINAMIC公司开发的带有串行接口的步进电机驱动器。3个TMC236连结构成的菊花链（Daisychain）结构便是一种基于串行通讯的网络结构，可以使多个具有串行通信接口的设备以接力的方式传递数据。TMC428可以通过SPI接口与它们相连接，以同时控制3个二相步进电机。
TMC428的主要特点如下：
·根据不同的应用提供有SSOP16、SOP24、DIL20三种封装可选形式。
·可以同时对3个二相步进电机进行控制，所有电机可独立工作。
·根据微处理器给定的电机运动参数（位置，速度、加速度），依照梯形或三角形的速度由线产生驱动脉冲波形和顺序，来对电机进行位置和速度控制。它有4种工作模式。其中位置控制有RAMP模式和SOFT模式，速度控制有VELOCITY模式和HOLD模式。
·可微步控制。采用6位分辨率的微步细分。包括满步、半步直至64细分。每个电机可分别选择其需要的微步分辨率。满步频率高达20kHz。
·通过可编程电流比例捉控制，可以使电机在不同的工作状态下采用大小不同的工作电流。控制电机工作可在8个档次上，分别是大电流的12.5%、25%、37.5%、50%、62.5%、75%、87.5%、。
·可以对多种参数进行设置，包括大加速度、大速度、加速运行和位置保持时电机线圈的电流大小、微步细分分辨率、波形发生器和脉冲发生器的参数等20个多个参数。
·可在线改变运动参数（位置、速度、加速度）。
·带有4线串行SPI接口，串行通信使用32bit数据长度的简单协议。使用简单。
·可通过另一个SPI口与电机驱动器连接，其数据传输率高达1Mbit/s。
·低功耗（1.25mA,4MHz），时钟输入范围宽且时钟频率高可达16MHz。
·3.3V或5V的CMOS/TTL兼容电平供电。
2、引脚功能
图1 TMC428的引脚排列
图1所示为TMC428采用SSOP16封装时的引脚排列，各个引脚的功能如下：
1，2，3脚（REF1，2，3）：参考开关输入1，2，3，可以外接限位开关，以引发TMC428内部中断功能。本文没有使用该功能。
4脚（TEST）：测试脚。使用时接地，接地应尽可能在引脚附近。
5脚（CLK）：时钟输入。
6脚（nSCS_C）:SPI控制接口的片选信号输入，低电平有效。
7脚（SCK_C）:SPI控制接口的时钟输入。
8脚（SDI_C）:SPI控制接口的数据输入。
9脚（SDO_C）:SPI控制接口的数据输出，高阻。
10脚（SDO_S）:驱动SPI接口的数据输出。
11脚（SCK_S）：驱动SPI接口的时钟输出。
12脚（nSCS_S）：驱动SPI接口的片选信号输出。
13脚（V5）：+5V电源。
14脚（V33）：+3.3V电源，应外接470nF电容器。
15脚（GND）：地。
16脚（SDI_S）：驱动SPI接口数据输入，应接上拉或下拉电阻器。
3、内部结构和工作原理
TMC428的内部结构如图2所示。TMC428是由各个单元的寄存器和片内RAM构成的。其内部包括二个外部串行接口、波形发生器和脉冲发生器、微步单元、多口RAM控制器和中断控制器。
图2 TMC428的内部结构
TMC428一般从微处理器获得控制指令，微处理器则通过发送和接收固定长度的数据包对TMC428寄存器和RAM进行读写操作。TMC428的寄存器和片内RAM的功能有所不同。寄存器用于存储电机总体配置参数和运动参数，而片内RAM用于存储 驱动串行接口的配置和微步表。电机总体参数是指对驱动器菊花链中TMC236的配置。运动参数包括各电机的当前位置、目标位置、大速度、大加速度、电流比例、波形发生器和脉冲发生器参数以及微步细分分辨率等。片内RAM包括64个地址的数据空间，每个地址可存储24位宽的数据，前32位地址数据是对驱动器菊花链串行通信数据包的配置，后32位地址的数据为微步细分表。
初始化以后，TMC428即可自动发送数据包到菊花链的每个TMC236，也就是说，驱动串行接口经过初始化后便可以自动工作，而不需要微处理器的参与。只要把位置、速度写进指定的寄存器就可以控制电机。TMC428的多口RAM控制器可管理数据的存取时序。这样，微处理器就可以在任何时间读写寄存器和片内RAM的数据。
通过波形发生器可以处理存储在寄存器里的运动参数并计算电机运动速度曲线。脉冲发生器则根据波形发生器计算得到的速度来产生步进脉冲。步进脉冲产生时TMC428的驱动串行接口将自动发送数据包给步进电机驱动器菊花链以驱动步进电机。当采用微步控制时，微步单元即开始处理根据脉冲发生器产生的步进脉冲，同时根据选择的微步分辨率来产生全步、半步和微步脉冲，并通过驱动串口送给驱动器菊花链。
驱动串行接口是TMC428与驱动器菊花链之间的通信接口。从TMC428到驱动器之间的串行数据包的长度是可配置的，以适应由不同类型和厂家的电路构成的SPI环形结构，大数据长度为64bit。初始化后，TMC428与步进电机驱动器之间的通信是自动完成的。不同类型的带有SPI接口的驱动器都可以混合构成菊花链结构与TMC428进行连接。
4、应用
4.1 兼容性
TMC428与大多数厂商生产的步进电机驱动电路兼容。它可以直接连接带有SPI口的步进电机驱动器，也可以通过附加的器件连接常用的并口驱动器。甚至带有步进、方向输入的步进电机驱动器也可以由TMC428来控制。将步进电机驱动电路TMC236非常简单地连接成串行菊花链结构，用TMC428构成3轴步进电机控制系统进行控制可更好地发挥TMC428的特点。
4.2 状态检测
实时监测电机运行状态对整个系统的安全和控制是很重要的，TMC428就提供有状态检测功能。每次每处理器发送数据包给TMC428的同时，TMC428会返回数据给微处理器。大部分带有串行口的电机驱动电路都提供有不同的状态位（工作，不工作等）和错误标志（短路，开路，温度过高等）。这样，TMC428就可以在任何时候提供当前电机的运动参数和工作模式以及各状态位。从电机驱动菊花链返回给TMC428的数据包有48bit长。TMC428将其放在二个24bit的寄存器中。这样，微处理器就可以直接读取这些寄存器里的信息。
5、系统构成的应用
笔者采用DSP作为系统的微处理器，结合TMC428和TMC236构成步进电机驱动控制系统。TMC236内部集成了HVCMOSFET构成的双全桥驱动电路，它采用恒流斩波驱动方式来驱动双极性二相步进电机，并具有功耗低、效率高的特点。图3所示就是3个TMC236构成3轴电机驱动器并由TMC428进行控制的原理电路图。
图3 基于TMC428的3轴步进定级驱动控制系统电路
由图3可见，采用专用步进电机运动控制器和驱动电路组成的系统具有外围电路简单、系统抗干扰能力强和可靠性高等优点，可减少控制电路的开发成本。整个系统除了电源之外只有5个IC，因此，体积小，控制简单，特别适用于3轴步时电机的驱动。实验证明该驱动器控制的步时电机定位精度高，加、减速性能良好，同时，启停、反转性能也很优良。
1 引言
步进电动机问世以后，很快确定了自己的应用场合，为开环高分辨率的定位系统，工业应用发展到今已有约30年的历史，还没有发现更适合的取代它的产品［1］，而且已经发展成为除直流和交流电机外的第三大类电动机产品，可是它毕竟发展的历史不长，尚有不成熟的感觉。
从步进电动机产品的总体来看，为突出的问题是规格品种繁杂，从结构类型上主要是永磁（混合）和磁阻式两大类；相数则有2、3、4、5、6、8、9相等多种，与各种不同转子齿数相配合，做成各种不同的步距角，例如：0.09°、0.1°、0.18°、0.2°、0.36°、0.45°、0.6°、0.72°、0.75°、0.9°、0.96°、1°、1.2°、1.5°、1.875°、2°、2.25°、3°、3.75°、4°、4.5°等等不胜枚举。还有不同的机座号，目前国内公制系列有24、28、36、45、55、60、70、75、90、110、130、150、160、200mm等，英制系列有42、57、86、104以及□42、57、86mm等。再加上每个机座号的电机有不同的铁心叠长，不同的电压、电流和绕组匝数，不同的轴伸和安装尺寸等，其规格品种之复杂可想而知。这种状态对步进电动机产业的发展十分不利。①增加了模具和工装的投资；②生产管理复杂化；③不易形成批量生产，使生产成本增加；④分散了财力和人力不利于产品的完善和改进；⑤配套的驱动器的生产也复杂化，同样不利于发展；⑥也使应用和技术服务复杂化。
任何一种产品大概都有一个从复杂到简单的发展过程，步进电动机约30年来的发展，也已经逐步形成了自己的主流产品，在西方国家，可明显看出大量应用的是定子8极转子50齿的二相混合式步进电动机，其次是定子10极转子50齿的五相混合式步进电动机被认为有较高运行性能指标而广泛用于工业自动化的场合［2］。
我国步进电动机产品的发展有自己的特点，80年代以前一直以磁阻式步进电动机为主，70年代末形成的系列产品以定子6极转子40齿的三相磁阻式步进电动机为主。另外有定子10极转子100齿的五相磁阻式步进电动机和其他的品种。80年代开始发展混合式步进电动机，也是以定子8极转子50齿的二相（四相）混合式步进电动机为主，1987年开始生产定子10极转子50齿的五相混合式步进电动机，同时还发展了一些不同于国外的产品，例如定子8极转子60个齿的二相（四相）混合式步进电动机；转子100齿的三相、九相混合式步进电动机；转子200齿的五相混合式步进电动机等。这就使得我国步进电动机产品形成特别混杂的局面，对产业的发展很不利。认识到这一点，找出有效的办法来改变这种局面，对步进电机产业的发展是很重要和有利的，本文从技术的角度，探讨加速统一步进电动机产品的途径。
2 运用微步驱动技术统一步进电动机的相数
属于增量运动控制器件的步进电动机，在应用微步驱动技术以后，它的分辨率可以提高，在必要时可以很高，达到接近连续运动控制器件的状态，被称为“类伺服”特性，这显然是70年代开始研究微步驱动技术的主要目标。
微步驱动技术是一种电流波形控制技术，在通常的驱动器中，仅对相绕组的电流进行通断控制，在转子齿数一定的条件下增加相数才能增加电动机的分辨率。例如五相混合式步进电动机比二相混合式步进电动机增加了相数，提高了分辨率，许多运行性能得到提高，成为一个独立的系列产品。采用电流波形控制技术后，二相电动机只要增加电流波形的阶梯数，就可以提高分辨率［2,3］要达到与五相电动机一样的分辨率也很方便。这就给统一步进电动机的相数提供了基础［4］。
德国BL公司原生产五相混合式步进电动机，1994年他们的五相电动机专利期满以后，推出了新的三相混合式步进电动机系列，是定子6极转子50齿的结构。配套电流型驱动器，每转步数为200、400、1000、2000和2000、4000、10000、20000，可看出它兼有通常二相电机和五相电机的分辨率，还可以在此基础上增高到10倍（十细分）。应该说，这是一种很好的设计方案，它充分运用了电流型驱动技术的功能，让统一的三相电动机系列可以同时适合原有二相和五相电动机的应用场合。
用三相电动机来取代原来生产的五相电动机，且采用更为普及的三相功率器件，驱动器的成本会下降，同时具有二相电动机的分辨率，适应性加强，从公司的角度来看是很有效益的，可是从整个步进电动机产业的角度，以及从产品发展由复杂到简单这个规律的角度看却不见得好。因为用该三相系统来取代现有的广泛应用的二相电动机显然是不现实的，因此只能是在步进电动机本来复杂的产品格局中，逐步向以二相混合式步进电动机为主，辅之以五相混合式步进电动机的产品格局发展的过程中，反而增加出一个三相混合式步进电动机系列，至少从总体来看没有前进的感觉。
如果以二相电动机为基础，采用电流型驱动器，让它同时具有五相电动机的分辨率和其他功能，情况就不一样了，这将是一种为节省的、顺乎自然的发展方向。改变分辨率不成问题，要让全部的性能都不低于原有的五相电动机则还有一定的工作要做。
作者将原生产的86BH250B型二相混合式步进电动机，采用电流型驱动器，作了一些初步的研究，与原有产品90BH550B型五相混合式步进电动机，配以恒总流驱动器的系统相比较。样机实验对比情况如下：
（1）外型尺寸如图1所示，二种电机轴向长度基本一致，直径二相电机稍小一些。
图1 外形尺寸的对比
（a）86BH250B型 （b）90BH550B型
Fig.1 Comparison of outline dimensions
（2）保持转矩特性如图2所示，二种电机的保持转矩基本相近，在同样额定电流3A时，二相电动机稍大一些。
图2 样机保持转矩实验曲线
（a）86BH250B型 （b）90BH550B型
Fig.2 Measured holding torque of sample motors
（3）牵出转矩特性如图3所示，在较低频段（≤2000pps）,二相电动机的转矩稍高一些，在频率较高时则比五相电动机的
图3 样机牵出特性实验结果
（a）86BH250B型 （b）90BH550B型
Fig.3 Measured pullout torque of sample motors
（4）定位转矩。实测五相电动机TD5=0.1N.m，二相电动机TD2=0.15N.m，为同一数量级。
（5）步距精度［5］。一转范围内步距角的实测结果如图4所示，可看出二种电机步距误差相近。
图4 样机步距角实验曲线
Fig.4 Measured step angle of sample motors
（6）单步响应特性［6,7］。恒流驱动的五相电机半步方式时有明显的轻重步现象；二相电机20状态运行时，有五步一循环的特点，但较为均匀。
（7）振动特性［8］。图5示二相电机初步改进后的振动特性，除了低频和中频段尚有需要进一步改进之处，此外，运行都很平稳。
图5 初步改进后二相20状态振动
特性实测曲线（86BH250B）
Fig.5 Measured vibration characteristic of
two-phase motor operating at twenty logic-states
8）驱动器。二相电动机的驱动器比五相电动机的成本有所降低。
以上对比表明，让86BH250B型二相混合式步进电动机20状态运行时，可以替代90BH550B型五相混合式步进电动机，且有更高的性能价格比。实践表明了能为用户所接受并感到满意，再做一些仔细的完善工作，情况会更好。
3 统一步进电动机齿数的研究
用一个具体例子来说明这个问题：我国在70年代发展了自己的磁阻式步进电动机系列产品，有较好的性能指标。在1983年开始发展经济型数控机床时采用了定子6极转子80个齿的110BF003型磁阻式步进电动机，半步方式运行时步距角为0.75°，为了发展我国的混合式步进电动机产品，不得不设计了一种定子8极转子60齿的110BYG001型（110BH260）二相（四相）混合式步进电动机，安装尺寸与磁阻式电动机一样，性能指标则稍高一些，这种电动机于1986年开始生产后占领了一定的应用市场。它与主流产品110BH250型电动机相差不多，可是又不能替代，制造厂家如果不生产这种产品就不能满足用户的需要，要求用户改变已经定型的整机结构是很难的，制造厂家生产这种电机使规格品种增加，是一种不得已的事情。
微步驱动技术是控制电流波形为正弦阶梯波，一个齿距为一个周期，一个周期内的阶梯数便是通电状态数n1，通常电流波形正负半波对称，所以n1为偶数步距角，
n1=2k k=2,3,4,5,… （1）
（2）
转子齿数Zr=50的电动机，齿距角θt=7.2°，步距角为
（3）
可见，得不出60齿电动机0.75°/1.5°的步距角。
本文提出一种“分数通电状态数驱动技术”可解决上述困难，仍旧是采用电流型驱动器，应用电流波形控制技术，让电流波形按所要求的步距角变化，并不要求正弦波在一个齿距内有整数个阶梯，只要求在若干个齿距内有整数个阶梯，在有限齿距数范围内形成循环就可以。
仍以上述例子为例，0.75°的步距角，对Zr=50的电动机来说，对应的电角度为
θbe=Zrθb=50×0.75°=37.5°电角度 （4）
只要让二相电动机的电流按照 （5）
的阶梯波形变化时，合成电流或合成转矩的相量随着阶梯（k1值）变化按图6所示相量的顺序变化。可以看出相邻相量间的平角为37.5°电角度，对应的机械角即为0.75°，也就是说，在Zr=50的电动机上，获得与Zr=60电动机一样的步距角，只是一个齿距不是步距角的整倍数。
图6 合成电流或合成转矩的相量随着阶梯（k1值）变化图
Fig.6 Resultant current or torque phase diagram
at different current steps
按照一般的说法，n1称为通电状态数，一般为整数，而且都是偶数，这里则是一个小数，所以称为“分数通电状态数驱动技术”。步进电动机的逻辑通电状态必需形成循环，才能保证电动机持续运转，不能以一个齿距为循环周期，以几个齿距为循环周期也不要紧，如上述例子，经五个齿距可形成循环，因此它的实际通电状态数是五个齿距内的步距数。
可以看出，运用所提出的分数通电状态数驱动技术，按式（5）来设定电流波形，就可以得到任意要求的步距角。只要在有限数的齿距内能形成循环，这种步距角的驱动就能实现。为统一步进电动机的齿数提供了基础。
4 关于磁阻式步进电动机
在国外，混合式步进电动机与磁阻式步进电动机开始时一起发展，已逐步发展成以混合式步进电动机为主流的格局。在我国则不同，一直以磁阻式步进电动机为主，在这方面做的工作较多，为广大国内用户所熟悉，混合式步进电动机到80年代后期才逐步发展起来，历史较短，不少人还不十分熟悉它。随着混合式步进电动机和驱动器技术及生产的发展，性能不断提高，成本有所下降，从性能价格比的角度应能为更多的人所接受。但是要为原有磁阻式电动机用户接受的较大障碍是步距角不兼容。
如前所述，1986年时不得不设计一种转子60齿的二相（四相）混合式电动机，去取代转子80齿的三相磁阻式步进电动机，就是为了达到步距角兼容的目的。我国磁阻式步进电动机以转子40齿的三相为主，用二相50齿的混合式电动机，按照一般微步驱动的概念，做不到步距角的兼容。现在按照所提出的分数通电状态数驱动技术的方法，几乎可以获得所有要求的步距角，问题就不难解决了。
5 结论
（1）步进电动机产品由于结构类型、相数、极数和齿数的不同而规格品种繁杂，是一种发展尚不成熟的现象。向通用型统一的产品方向迈进，有利于技术和生产的发展，符合事物的客观规律。
（2）纵观步进电动机发展的历史及现状，以转子50齿的二相混合式步进电动机为主体，提高它的通用性，逐步尽量多地替代其他相数、转子齿数的混合式步进电动机及磁阻式步进电动机，简化产品结构，是为现实的途径。
（3）电流型驱动技术的发展，为统一混合式电动机的相数提供了基础。初步的实践表明，用二相混合式步进电动机取代五相电动机是切实可行的。
（4）本文提出的分数通电状态数驱动技术，使得转子50齿的二相混合式步进电动机几乎可以按所有要求的任何值的步距角运行，使得与其他转子齿数（如Zr=60）的混合式步进电动机及磁阻式步进电动机的步距角兼容成为可能。
