基于Proteus的步進電機細分控制仿真

肖 鋒 林榮文

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

步進電機的細分驅動控制主要是為了提高系統的分辨率以提高精度和防止步進電機低頻振蕩，以增加運行的平穩性[1]。本文通過Proteus仿真軟件對步進電機細分控制進行仿真，仿真結果可以看出，經過細分控制后不僅步進電機的步距角減小，而且定子繞組電壓和電流的突變值也減小，可以看出細分控制能夠改善電機低速運行時的性能。

1 步進電機細分控制的原理

圖1 細分控制原理圖

2 仿真電路的建立

本次設計中，在Proteus中搭建電路，通過C51單片機提供PWM波，控制步進電機A,B兩相的電壓，控制系統如圖2所示。電路中主要包括4部分：單片機控制單元、步進電機驅動電路、測量模塊、控制對象。單片機控制單元產生PWM波；驅動電路為兩個2N6660型號的P-MOSFET組成的BUCK電路，通過單片機輸出的PWM波控制A、B兩相繞組的電壓。測量模塊使用的是Proteus自帶的仿真表格，用于測量 A相電流和電壓波形；控制對象選用的是兩相步進電機，其內阻設置為20?，電感為10mh。電路中在A、B兩相加入電容，對高頻諧波進行濾波，使兩相電壓的波動減小，利于電機的控制。

圖2 控制系統圖

3 仿真實驗結果

本設計通過 Proteus仿真軟件對步進電機轉子從A相運行到B相的過程進行8細分控制了仿真。從步進電機運行的仿真結果顯示，原來步進電機由A相運行到B相時，步距角由是0°～90°一次跨越的，如圖3所示。

圖3 細分控制前A相運行到B相的仿真結果

細分控制后，在0～90°的狀態之間加入了6個狀態，步進角的變化過程如下：0°→15.3°→29.2°→36.4°→45.2°→61°→74.9°→90°，如圖 4 所示。

圖4 細分控制后A相運行到B相的仿真結果

通過對比結果可以看出，經過細分控制后，步進電機的步距角得到了細化。在0～90°的過程中走的步數增加了6步。細分控制前，當電機輸入頻率較低的驅動脈沖時，電機會有明顯的振動。細分控制后，電機在相同低的驅動頻率下也能正常運行。仿真的過程中，可以看到比細分控制前更加穩定，振動比細分前減小了。步進電機的低速運行性能有了很大的提高。同時，通過改變 A、B兩相電壓的變化大小，可以改變步距角的大小，達到控制步距角可變的特點。

細分前，A相電壓、電流波形如圖5和圖6所示。圖中可以看出，步進電機的旋轉一步時，A相兩端電壓最大值Umax=1.6V、最小值Umin=0V，電壓變化大小ΔU=Umax-Umin=1.6V。電流的最大值Imax=80mA、最小值Imin=0A，電流變化大小ΔU=Imax-Imin=80mA。

圖5 細分前A相電壓波形

圖6 細分前A相電流波形

細分控制后，A相電壓的大小隨時間按階梯變化逐漸減小，每個階梯電壓最大的差值由圖 7可知為0.4V，即最大電壓變化大小ΔUmax=0.4V，同理，由圖8可以看出A相最大電流變化大小ΔImax= 20mA。細分前、后，電壓和電流變化大小的比值如下式可知

由以上兩個比值可以看出，經過細分控制后 A相所受的電壓和電流的波動為原來的1/4，減小幅度還是比較明顯的。細分控制前，A相電壓和電流的波動比較大，步進電機每步切換的過程中有較大的瞬間沖擊量，如果在低速場合，這些沖擊量就會使步進電機產生振動，使運行效果不光滑。細分控制后A相的電壓、電流是階梯變化的，波動只有原來的1/4，運行時的沖擊量就減小了很多，這樣在低速運行時也不會產生較大的振動，使步進電機在低速運行時也有比較光滑的效果。

圖7 細分后A相壓波形

圖8 細分后A相流波形

4 結論

通過對仿真實驗結果的比較，經過細分控制后的步進電機的步距角減小了，步進電機的低速性能有較明顯的改善，這樣使步進電機能夠工作在比細分控制前轉速低很多的情況下正常、穩定的運行，改善了低速運行時的性能。從電壓、電流的對比圖可以看出，細分控制前，步進電機在每步的切換的過程中會受到較大的沖量，在低速運行時會有比較明顯的振動。經過細分控制后，原來電機運行時的電壓、電流的波動大小只有原來的1/4，使電機在運行過程中的振動減小了很多，在低速運行時，有比較光滑的運行效果。因此，步進電機的細分控制能夠減小步進電機的步距角，提高電機的控制精度，同時也改善電機的低速運轉性能。

在本次仿真實驗中，由于各種仿真及計算的誤差，沒有使步進電機的步進角的變化是均勻的，需要引進反饋及更準確的算法對步進電機的步距角細化進行均勻、準確的控制，需要在以后的研究中改進。

[1] 姜平.步進電動機細分控制函數修正新算法[J].微電機.2005,38(4):31.

[2] 王盈.步進電機的細分驅動及動態性能仿真[D]. 大連交通大學,2007:2.