基于單片機的步進電機驅動控制系統研究總結

白正勤 韓 震 劉旭東

（中國人民解放軍海軍蚌埠士官學校，安徽 蚌埠233012）

1 步進電機驅動控制系統的研究現狀

1.1 步進電機驅動回路

由于步進電機驅動控制系統的性能和運行質量在很大程度上取決于其驅動控制器的結構與性能，同一臺步進電機配合不同類型的驅動器，其運行品質會有很大的不同，因此，從某種意義上說，驅動器性能的優劣直接影響著系統的最終運行效果。現代的步進電機控制系統逐漸開始采用帶有繞組電流反饋的閉環控制。根據步進電機方式的不同主要有以下幾種類型：

1.1.1 單雙極驅動

混合式步進電機即可以單極驅動，也可以雙極驅動。對于步進電機而言，進行雙極驅動的主要目的是能夠不斷的為電機向正向電流發展提供條件，在向正向電流發展的同時也向反向電流發展。通常為了簡化驅動電路，常采用單極性驅動。即把步進電機的中心抽頭的一相分為兩相，當其中一相正向通電時，另外一相則反向通電，這樣就可通過單極性供電從而實現正反向勵磁的目的。單極雙極驅動的原理分別如圖1-1和圖1-2所示：

圖1-1 單極性驅動

圖1-2 雙極性驅動

1.1.2 高低壓驅動

高低壓驅動方式是為了解決步進電機高頻時輸出轉矩低的缺陷而提出的。高低壓驅動需要兩種等級的電源電壓，即步進電機額定工作電壓和高額定電壓幾倍的電源電壓，以此來提高電流的前沿陡度。高低壓驅動的核心思想是無論電機工作轉速是多少，每當一相導通時，都用高壓來供電從而來提升電流上升速率，之后再切換到低電壓來維持相電流。其原理如圖1-3所示：

圖1-3 高低壓驅動方式

1.1.3 恒流斬波驅動

在步進電機驅動中，在實際的相關應用中比較常見的方式是恒流斬波的驅動方式（如圖1-4所示）。此種方式在運用中的主要特點是在運用的過程中供電的電壓相對較高，相比電機的額定電壓會高處好幾倍，通過對斬波方式的運用，在電機工作的過程中主要從低速向高速運轉的過程中，要保持機電的恒定電流，進而為電機輸出力矩不變做準備。

圖1-4 恒流斬波驅動

1.1.4 變頻變壓驅動

前面所述各種驅動方式，他們的共同思想都是希望能夠使通過電機繞組的電流能夠快速上升，以提高電機的高頻工作品質，這樣做的后果往往會帶來低頻振動加劇的后果。為了克服低頻振動，在電機低速運行時，應使繞組電流緩慢上升，因此我們需要在驅動器的供電電壓和電機工作的頻率之間建立一定的聯系。調頻調壓驅動方式的提出正好可以解決這一問題，其核心是：隨著步進電機運行速率的提高，同時提高驅動電路的電源電壓，用以補償因運行頻率上升而引起的輸出力矩的下降；當其運行頻率降低時，功率驅動電路電源也隨著降低。但目前該方法還未曾在工業上應用。

1.2 步進電機細分驅動算法

在70年代的中期步進電機細分驅動算法就已經出現，在此之后的20年里，細分驅動算法又得到了進一步的發展，并在生產實踐中得以廣泛的應用，有向更廣泛的領域滲透的趨勢。

步進電機細分驅動有著特定的算法，主要體現在：在進行每一次的脈沖切換時，不是單純的對那些流經繞組的一些電流進行全部的灌入或者是全部的切除，主要是對額定電流進行一部分的灌入，在運作的過程中電機轉子應該改變其中的一個極小的部分。在這一過程中，會出現階梯波。在工作中給兩相或者幾相不同的電機繞組進行通入電流中，在不同的繞組會產生不相當的相關矢量之和為零的地方就是在運作的過程進行細分之后的平衡位置。由于組成的矢量在空間上彼此相差90°，因此當別離在對應繞組上灌以相位上相差90°的正余弦電流時，則組成的電流矢量(或磁場矢量，電流矢量近似正比于磁場矢量)便在空間做均勻的旋轉運動，且幅值堅持不變。

2 混合式步進電機原理

2.1 混合式步進電機的結構特點

步進電機是由定子和轉子組成的。在運作的過程中，定子還包括定子鐵芯和定子繞組，定子鐵芯主要是對一些硅鋼片進行壓制而制成的，對于繞組的線圈來說，主要是在外面裸露的一些銅導線，轉子在轉動的過程中主要是運用一些通電線圈進行不斷驅動的。在相對的徑直方向上是相對的一對磁極NS極，構成一相繞組，纏繞在該對磁極上的線圈是串聯的。但線圈的繞相相反，因此通電時產生的磁場方向也相反。對于兩相混合式步進電機而言，其上共有八個線圈串聯成2相繞組，一端為N極時，另一端則為S極(如下圖2-1)，此外在每個定子的磁極邊緣鑲嵌有5到6個小齒，共有40或者48個齒。

圖2-1 兩相混合步進電機繞組極性示意圖

轉子分為兩段齒環，每段50個齒，齒距角為7.2°，其小齒相對錯開1/2齒距，共同裝在一根軸承上，兩段轉子鐵芯當軸向的磁鋼充磁后，分別呈現不同的磁性，即N段轉子、S段轉子。

2.2 混合式步進電機的工作原理

對于磁通而言，在運作的過程中主要是通過磁阻最小的一般路徑來完成的，在步進電機的一些線圈中如果出現不通電的情況，磁通在運作的過程中就會出現閉合的狀態，也就是從N極到S之間的閉合。為了簡單，我們以齒距角為120°為例介紹其工作原理，其結構圖如下圖2-2所示：

圖2-2 兩相步進電機結構圖

當1A相通電時，其產生保持力矩，2A相通電時，定子磁場轉過90°，轉子在電磁力的拽動下，轉過30°，即1/4齒距；然后在讓1B進行相通電，對轉子進行轉成30°的夾角，如此這樣在做必要的單相通電，在做完4步之后，就會繞過一個人特殊的齒距角，在做完12步之后被視為旋轉一周。由于該過程中每一次通電僅有相應的一相繞組通電，因此稱之為單四拍，其原理如下圖2-3所示：

圖2-3 單四拍工作原理

同樣的道理，當1A相和2A相同時通電，則由于兩個定子產生的合吸力，使得轉子最初停在15°的位置，然后改變通電順序，即2A相和1B相通電，則轉子又旋轉30°的電角度，之后1B相和2B相通電，2B相和1A相通電，各吸引轉子轉1/4的步距角，此種方式雖然也是每次轉過30°的電角度，但是由于每次給兩個線圈同時通電，產生的電磁力矩要比單四拍通電方式的力矩大，稱這種通電方式為雙四拍，如圖2-4所示：

圖2-4 雙四拍工作原理

基于上面所介紹的單四拍和雙四拍的工作方式，如果我們能夠在每兩個單拍之間插進一個雙拍，那么它就變成了八拍的工作模式了，每一步轉子旋轉過的角度就是15°，這樣就需要24步才可以使轉子旋轉一周。我們稱這樣的工作方式為單，雙八拍。其工作模式如下圖2-5所示：

圖2-5 雙八拍工作原理

通過把這種思想延伸來看，如果我們在兩相繞組中通以大小不同的電流，那么轉子就會在與合成力矩矢量相對應的一個位置上，哪一繞組電流大，那么轉子就朝哪個方向偏移一些，利用這個現象，我們就可以使電機工作在微步距方式，例如對于兩相步進電機我們分別通入正余弦階梯電流，理論上，就可以把一個整步距角實現任意的細分。

3 結論

綜上所述，本文主要對步進電機驅動控制系統進行必要的探討和分析，介紹了不同的類型和特點，分析不同類型帶來的好處，為單片機的步進機電驅動控制系統的不斷發展提供保障，在傳統的一些驅動控制策略發展過程中，對一些新型的相關的續流回路進行分析，結合細分算法成功地應用在整個驅動系統中。

［1］唐穎.單片機原理應及C51程序設計[M].北京:北京大學出版社,2009.

［2］李伯成.單片機及嵌入式系統[M].2版.北京:清華大學出版社,2008.

［3］陳志聰.步進電機驅動控制技術及其應用研究[D].廈門:廈門大學,2008.

［4］鄧立營.步進電機協調運動控制的研究[D].沈陽:東北大學,2006.

［5］陳志聰.步進電機驅動控制技術及其應用設計研究[D].廈門:廈門大學,2008.