時為

(揚州職業(yè)大學(xué)，江蘇揚州225009)

步進電機是一種專門用于位置和速度精確控制的特種電機。步進電機的最大特點是其“數(shù)字性”，對于單片機發(fā)過來的每一個脈沖信號，步進電機在其驅(qū)動器的推動下運轉(zhuǎn)一個固定角度(簡稱一步)。如接收到一串脈沖步進電機將連續(xù)運轉(zhuǎn)一段相應(yīng)距離，也可通過微電腦或單片機發(fā)送控制脈沖頻率，直接對電機轉(zhuǎn)速進行控制。因此，步進電機近年來在各行各業(yè)的控制設(shè)備中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

由于步進電機是一個彈性體系統(tǒng)，所以，有一個固有諧振頻率。當(dāng)步進速率等于電機固有頻率時，電機可能會產(chǎn)生聽得見的噪音變化，同時振動增加，在嚴重情況下，電機在振蕩點附近可能會失步。使用細分驅(qū)動技術(shù)可以解決這一問題。

在工業(yè)控制領(lǐng)域，目前常用的控制電動機的芯片是PIC系列的單片機。本文選擇PIC18F452高性能單片機芯片編寫兩相步進電機雙極細分驅(qū)動程序，使用Protues仿真，測量其輸出的細分驅(qū)動波形并觀測步進電機的運行情況。

1 雙極細分驅(qū)動原理

1.1 雙極整步驅(qū)動

目前比較常用的雙極步進電機驅(qū)動芯片是L298，驅(qū)動電路如圖1所示。整步驅(qū)動波形從A、B、C、D四個端口送入，每4步為一次循環(huán)，其波形如圖2所示。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)AB、CD為互補的邏輯波形，而A與C之間相互錯開一步距離。因此，對于L298芯片，其驅(qū)動輸入只需要A和C兩路即可[1]。

圖1 L298雙極整步驅(qū)動電路

圖2 L298雙極整步驅(qū)動波形

1.2 雙極細分驅(qū)動

將上述A和C兩路矩形波，使用正弦波來代替時，步進電機的噪聲與振動會立即消除，這樣的方法稱為細分驅(qū)動。

單片機產(chǎn)生的輸出是沒有連續(xù)的正弦波形的，使用的方法是SPWM。SPWM的實質(zhì)是將一個正弦波的大小變化，用與之對應(yīng)的幅度相同，寬度不同的脈沖來表示，這樣就可以將正弦波轉(zhuǎn)換成計算機的程序，通過程序運算處理，來產(chǎn)生所需要的正弦波形，見圖3。

2 使用PIC18F452實現(xiàn)SPWM的編程原理

PIC18F452的dsPIC芯片，是一款由Micro-Chip公司生產(chǎn)的高速8位單片機芯片，可以輸出兩路獨立的PWM波形，程序空間容量高達32KB，符合細分驅(qū)動的基本要求。[2]

圖3 L298雙極細分驅(qū)動波形

在實際應(yīng)用中，步進電機的細分數(shù)一般設(shè)為4、8、16、32幾種等級，細分數(shù)過大，會使得步進電機運轉(zhuǎn)過于緩慢，同時由于細分角過小，也會造成失步。

以下為相關(guān)的C18程序，細分數(shù)為16，使用的編程語言是MPLAB C18，使用的編譯軟件是MPLAB 8.43。主要驅(qū)動程序如下[3]:

SPWM編程的關(guān)鍵在于確定每一個SPWM的占空比。在程序中，將C路輸入的一個完整的正弦波的SPWM的各個PWM占空比事先計算好，放于計算機的ROM之中，其所計算的點數(shù)就是步進電機細分驅(qū)動的細分數(shù)。

以C路的SPWM開始，使用查表方法，從0開始輸出細分驅(qū)動波形，而A路的SPWM輸出則根據(jù)細分數(shù)，滯后90°開始，使用查表方法得出A路細分驅(qū)動波形。

應(yīng)用細分驅(qū)動技術(shù)，步進電機的運行方式變?yōu)槊恳粋€脈沖轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過一個細分角度。設(shè)步進電機的細分數(shù)為N，整步驅(qū)動時，每步轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度為θ，細分角為α，則有α=θ/N。

在電機轉(zhuǎn)速控制方式中，設(shè)驅(qū)動脈沖的頻率為f，則在細分驅(qū)動方式下，電機的轉(zhuǎn)速為整步驅(qū)動的1/N，即為

3 雙極細分驅(qū)動程序的Protues仿真

首先，根據(jù)細分驅(qū)動原理，在MPLAB軟件中使用MPLAB C18編寫PIC18F452的雙極細分驅(qū)動程序。在Proteus軟件中設(shè)計好兩相步進電機得L298驅(qū)動電路。

在pic18F452中裝入上述用MPLAB軟件生成的Hex文件，啟動Proteus的仿真功能，可見細分輸出波形以及步進電機的運行情況，見圖4。

仿真結(jié)果證明，使用細分驅(qū)動方法，步進電機運行連續(xù)、平穩(wěn)，沒有整步驅(qū)動時的跳躍抖動現(xiàn)象，這也是細分驅(qū)動能夠消除步進電機振動的原因。

4 結(jié)語

在掌握步進電機細分驅(qū)動技術(shù)的基礎(chǔ)上，成功地將該技術(shù)引入到Proteus的步進電機的仿真領(lǐng)域，這也說明了Proteus仿真軟件的強大的功能。限于篇幅，有關(guān)正反方向控制，細分數(shù)選擇，單步控制等問題就不在此討論。

[1]王曉明.電動機的單片機控制[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[2]武鋒.PIC系列單片機開發(fā)應(yīng)用實戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[3]張皆喜.PIC系列單片機C語言編程語應(yīng)用實例[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.