基于單片機的步進電機驅動控制系統的設計與實現

【摘 要】本文首先簡單介紹了常見步進電機的工作原理、特點及常用驅動方式，然后設計并實現了兩相混合式步進電機的控制電路，最后完成了相關控制程序設計，實現了最初步進電機驅動控制系統的設計目標。

【關鍵詞】步進電機；細分驅動；單片機；電流控制

1.步進電機工作原理及分類

步進電機是一種特殊的直流同步電機，它由電脈沖信號進行控制。脈沖的個數決定了步進電機的轉角，而脈沖的頻率則決定了步進電機的轉速，且二者均為正比關系。

步進電機的分類方法很多，下面僅介紹按照勵磁方式的分類。

（1）永磁式步進電機。該類型的步進電機內部有轉子和定子，其中的轉子由永磁體制造而成。通過對其定子繞組的通電形成電磁場，從而帶動轉子運動。這一類的步進電機多為兩相，步距角多為7.5°或15°，常見于醫療設備等場合。

（2）反應式步進電機。該類步進電機由磁性轉子通過與定子形成的磁場相互作用形成運動。其轉子上均勻分布很多小齒，定子有三個勵磁繞組，其運動原理為“錯齒”。由于小齒加工困難，所以單段反應式步進電機的相數不能很大，多見有三相、四相、五相。相數更多時電機的制作成本過高，因此相應產品很少見。另外一種就是多段反應式步進電機，其特點就是將定子分布在一根長軸上。此類步進電機的缺點是電機的長度、重量很大，因此成本也很高。

（3）混合式步進電機。混合式步進電機綜合了永磁式步進電機和反應式步進電機的優點，可以提供更好的機械性能。其定子鐵心結構與反應式步進電機相同，可以分為幾個大齒，每個大齒上銑有若干小齒。而控制繞組則與永磁式步進電機相同。比如兩相步進電機的步距角可以達到1.8°。而隨著電機相數的增加，其步距角可以達到更小，提高了電機的工作精度，因此該類步進電機使用范圍更加的廣泛。

2.常見步進電機驅動系統及驅動技術

步進電機的驅動系統可以大致歸類為硬件實現與軟件實現兩種。

硬件實現類由脈沖信號控制器、硬環分電路、驅動電路三部分組成。其中脈沖信號控制器作用是產生脈沖信號，硬環分實現脈沖的分配，驅動電路是將硬環分電路的輸出信號隔離放大，以驅動步進電機的運行。此類系統可以作為開環使用，其設計簡單，成本較低，運動平穩，可以實現初步的細分驅動。缺點在于一套系統僅能驅動一個電機，系統的靈活性、可移植性均很差。

軟件實現類是目前常用的方式。在這類系統中，控制信號的產生和分配由單片機或者PLC實現并輸出，然后通過隔離電路、信號放大電路完成對電機的驅動。這類系統的靈活性很高，可以快速適用于不同的控制系統。同時由于單片機和PLC可編程，因此可以實現一些復雜的控制算法。同時隨著集成電路等技術發發展，單片機的性能越來越好，其內部集成了PWM模塊、A/D模塊等，可以更加方便地實現步進電機驅動系統的設計與實現。

常見的步進電機的驅動技術主要有單電壓驅動、單電壓串電阻驅動、高低壓驅動、恒流斬波驅動、升頻升壓驅動和細分驅動等。

其中高低壓驅動是指在脈沖前沿加高壓，從而提高脈沖的前沿陡度，脈沖后沿使用低壓維持電機繞組中的電流的步進電機驅動方式。這樣的方法實際上是加大了系統傳遞到繞組中的電流從而提升了電機的整體機械特性。但是在高壓結束和低壓開始的時刻會產生電流的短暫降低，導致局部機械特性的損失。這種方式在實際中仍有應用。

所謂恒流斬波驅動，就是利用斬波電路將繞組的電流限制在期望電流附近，從而實現“恒流驅動”。且由于電流在額定電流附近波動，電機的機械特性較好。但是斬波電路的電流紋波大，噪聲也比較大。

細分驅動是指在切換脈沖時不是瞬間將繞組的電流切斷或通入，而是以階梯狀的電流波形實現驅動電流的同時或切斷。比如將一電機進行n細分驅動，則電流增大或減小n次才能實現完全的切斷或通入。這樣可是使定子磁場在旋轉過程中出現多個穩定的狀態，從而將步距角細分n份，提高了步進電機的分辨率，使得電機能夠更加平穩地運行。

兩相四線步進電機的常規驅動方式有兩相四拍和兩相八拍兩種，分別為A-B-A'-B'-A和A-AB-B-A'B-A'-A'B'-B'-AB'-A。其中兩相八拍的運行模式是2細分驅動，因此兩相八拍的運行模式更加地平穩，且精度高。細分運行狀態下，A-A'相中與B-B'相中的電流的數值和始終為Im，只是每相中的電流從0變化到Im（反向變化相同）不再是一次階躍變化，而是細分成四個小的階躍變化。而穩定的磁場狀態由原來的4個變為現在的16個，也就是增加了12個中間的穩定狀態，因此電機的運行更加平穩，而步距角相應的變為原來的1/4，電機的分辨率更高，也就是精度更高。

步進電機的電磁轉矩計算公式為：Te=pImM（iAcosθ-iBsinθ）

式中，Te為電磁轉矩，p為電機轉子的齒數，M為定子線圈的互感。

若將電流改為正弦形式，

iA=I cosα iB=I sinα

其中角度α為電機軸預置位置的電角度。

則電磁轉矩可改寫為

Te=pImMIsin（α-θ）

但是必須注意的一點是，電磁轉矩實在對電機的數學模型進行了簡化后計算得到。在一般場合下，電磁轉矩可以認為是步進電機的輸出轉矩。但是在一些高精度場合還要考慮到摩擦、電樞自身轉動慣量對電機輸出力矩的影響。如果步進電機作為直驅電機使用時，還要考慮電機與被驅動對象間連接件的剛度、轉動慣量等影響。

由于電機出廠后，它的電氣特性和機械特性已經確定。在不改變電機的結構的前提下，通過細分驅動仍能將電機的性能大大提升。控制電流的基本思路是進行電流的閉環控制，而電流則有一輸出電流可控的逆變電源獲得。當實際值小于理想值時，增大開關管的導通時間，電流變大；實際值大于理想值時，減小開關管的導通時間，電流變小。

3.單片機驅動系統的設計與實現

硬件電路采用模塊化設計，分為電源、主控電路、電流檢測、隔離電路、電機驅動電路。

系統使用STC12C5A60S2做為主控芯片，這是一款國產芯片，指令周期1T，內置PWM、AD模塊，最高可工作在24MHz的頻率下，有DIP40封裝和PQFP44封裝，以適應不同的尺寸需求。這款芯片完全能夠滿足本系統的應用需求。

隔離電路使用PLT521光耦設計完成。使用光耦是為了避免電機運行期間對主控板造成干擾。PLT521是一款常用的光耦芯片，由于步進電機工作的頻率不高，因此該芯片的速度完全能夠滿足。

電機驅動模塊使用L298設計完成，L298內置雙H橋，能夠結構TTL信號作為邏輯信號。其輸出端最高電壓可達42V，電流最大2.5A，開關頻率可達40KHz。由于實驗中所使用的步進電機功率較小，因此L298可以滿足需要。如果需要驅動較大功率的或相數更多的步進電機，可采用分立開關元件自行搭建H橋驅動電路。

開機運行后，程序即循環檢測按鍵輸入的指令。當檢測到鍵盤輸入的命令與當前單片機內保存的命令不同時，即更新保存的命令并重新計算控制參數；若沒有檢測到輸入或輸入與前次相同，則控制參數不變，進入電流檢測環節，然后根據檢測到的電流生成相應的PWM波形。

另外電機都有固定的額定工作電流和最大超載電流，當檢測到的電流超過最大超載電流后，應立即關斷電機，從而保護電機及其驅動的對象。這個功能可以由硬件電路實現，但是考慮到系統的通用性，因此將該功能改成由軟件實現。

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