（遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

基于單片機的步進電機細分驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

梁偉

（遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

對步進電機驅(qū)動原理進行詳細分析，根據(jù)此原理完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，設(shè)計了基于一種AT89C52 單片機的步進電機細分驅(qū)動系統(tǒng)。對設(shè)計的系統(tǒng)進行實驗，結(jié)果表明該驅(qū)動系統(tǒng)具有控制精度高、低頻運行電機振動小等優(yōu)點，完全滿足一些特殊場合對步進電機的性能需求。

步進電機；AT89C52 單片機；電機驅(qū)動

步進電機也被稱為脈沖電機，它是以控制器發(fā)出的脈沖信號作為驅(qū)動的運動元件。在不超過電機額定功率下，步進電機運動的位置和速度只與脈沖數(shù)和脈沖頻率有關(guān)，我們只要通過簡單的控制器給步進電機一個脈沖信號，它就會轉(zhuǎn)動一個固定角度。相對于其他的控制方式，基于細分控制的步進電機驅(qū)動方案可以使電機具有更高的定位精度、更小的低速振動以及更大的扭矩輸出，因此在各行各業(yè)都得到廣泛應(yīng)用。

1 步進電機細分驅(qū)動的原理

圖1 步進電機控制原理圖

步進電機控制原理如圖1所示（這里都是以兩相混和式步進電機為控制對象），控制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)主要是通過控制各相繞組的電流大小使繞組合成磁勢的大小和方向發(fā)生變化。

常見的步進電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)一般為z=50，電機磁極對數(shù)為2p=2，當有一相繞組接通時，每一齒距的空間機械角為如公式（1）所示，每一極距所占的轉(zhuǎn)子齒數(shù)如公式（2）所示，為每一極距的空間機械角如公式（3）所示。

從上公式（2）可以看出，因為每一極距所占的齒數(shù)是一個帶小數(shù)的值，所以當某一個定子和轉(zhuǎn)子一致時，其它的定子和轉(zhuǎn)子一定會錯開，這個角度計算公式為：（13-12.5）×t=0.25×t，所以，在步進電機換相時，轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)過的角度為 0.25×θz=θs=1.8°。步進電機有很多種換相方式，比較常見的有以下兩種：（1）采用A-BC-D順序不斷地通電。（2）采用 A-AB-B-BCC-CD-D-DA-A通電順序。采用第二種方式時，θs=0.9°，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可以由下式（4）計算出：

式中：電機拍數(shù)為N，每秒輸入 f 個脈沖。

由上式可以看出，只要N發(fā)生改變，步進電機的速度就會發(fā)生改變，步進電機增大細分也就是加大N的值，也就是所說的運行拍數(shù)變大，所以步距角就會變小。采用這種方法會降低電機速度，為了達到預(yù)定速度，通常需要加快輸入脈的頻率f。

對步進電機細分控制其實就是對電流進行細分控制，電流大小被分為多少個階梯等級，轉(zhuǎn)動一個固定的步距角就需要多少步來實現(xiàn)。步進電機細分驅(qū)動如圖2所示，從圖中可以看出電機步距控制是通過控制繞組中電流實現(xiàn)，每一個步距角一般都是由許多個電流細分組成。因此，我們把這種控制方式稱為細分控制。

在需要更大轉(zhuǎn)矩或者更高精等要求時，我們可以提高細分數(shù)，提高細分數(shù)就是對各相的電流量進行調(diào)整，以獲取更好地新能，對常見的兩相混和式步進電機，步進電機在正常通電情況下，兩相繞組同時獲得電流，如果不考慮鐵心飽和對電機性能的的干擾，這里可以利用疊加原理進行估算，此時的電磁轉(zhuǎn)矩計算公式如式（5）所示：

圖2 步進電機細分驅(qū)動原理

式中：A0——鐵心中2 個極齒層的平均磁導(dǎo)分量；

A1——步進電機上齒層磁導(dǎo)基波分量的最大值；

θe——步進電機定轉(zhuǎn)子齒中心線夾角的電角度；

φM——磁鋼磁通；

ia和ib——分別是相鄰兩相電流大小；

k——常量系數(shù)。

如果要讓電機轉(zhuǎn)子運行到某一個固定位置，穩(wěn)定停住并且不發(fā)生振動，必須滿足 Te=0，也可以寫為如公式（6）所示：

式中：n——細分數(shù)；k——步進電機從 A 相運行到 B 相所走過的總步數(shù)。

給定電壓與反饋相電流中的一相波形如圖 3 所示，其中UDAC 和U0分別為細分給定波形和反饋相電流波形。

圖3 給定電壓與反饋相電流波形

2 驅(qū)動系統(tǒng)硬件設(shè)計

步進電機驅(qū)動器硬件方案如圖4所示。驅(qū)動器選擇AT89C 52 單片機為主控制器，該單片機具有價格便宜、穩(wěn)定性好、功能豐富等許多優(yōu)點。步進電機由單片機產(chǎn)生的脈沖進行控制，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊D/A將控制器產(chǎn)生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電壓量，電壓傳輸?shù)矫}沖分配器，功率電阻對電機相電流進行轉(zhuǎn)換，這個電壓和單片機D/A 模塊產(chǎn)生的電壓進行比較，通過邏輯運算輸出 PWM 波，這個PWM波功率較小，不能驅(qū)動電機，必須經(jīng)過光耦電路進行功放大。電機的運轉(zhuǎn)情況通過編碼器采集，通過液晶顯示等方式以最直觀的方式顯示出來。

圖4 步進電機驅(qū)動器硬件方案

方案中的脈沖分配器選用IXM160高性能CMOS集成電路，它具有兩路獨立的脈沖輸出，通常被用來驅(qū)動兩路獨立的 H 橋，以實現(xiàn)對電流進行精確的閉環(huán)控制。所以，IXM160非常適合用來做步進電機控制分散電路，借助該芯片對電流的高精度控制，驅(qū)動器可以實現(xiàn)200細分，即發(fā)送200 個脈沖步進電機走一個步距角。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊D/A選取具有高達12位的高精度AD657模塊，它的數(shù)模轉(zhuǎn)換非常迅速，只需要 2μs便可完成。 功率開關(guān)管選擇APT公司的APT34GE121BR器件。選用日本信濃公司生產(chǎn)的 SST43 D2165型步進電機，這款電機的工作頻率范圍很大，推薦工作在1.5A的電流下。測速編碼器采用專門定制的編碼器，具有20位的高精度。通過這種設(shè)計方案，不僅大幅提高了步進電機的運動精度，還使低速狀體下的諧振與紋波大大減小，改善了電機的性能。

3 步進電機細分驅(qū)動系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在運行前，我們先設(shè)定好步進電機的運動方式，按照：啟動—勻加速—勻速—勻減速—停止的方式運行，我們提前在單片機的 EPROM 中導(dǎo)入標準的正弦、余弦函數(shù)表，當步進電機需要運行在在恒轉(zhuǎn)速，可以通過按鍵燈外部設(shè)備發(fā)送信號給單片機，單片機根據(jù)控制信號進行運行，數(shù)字信號經(jīng)過D/ A模塊轉(zhuǎn)換成電壓信號送給脈沖分配器。因為C語言具有編程方便、移植性和可讀性強的優(yōu)點，因此AT89C 52 單片機采用C語言進行編寫。啟停控制時，需要安裝S型曲線的方式進行啟停，以增加控制精度，減小振動。為減少系統(tǒng)的運算量，選用查表的方法對步進電機進行控制，這樣就可以提高驅(qū)動系統(tǒng)的實時性。

4 試驗方法與結(jié)果

對該驅(qū)動系統(tǒng)進行實驗，判斷的主要標準是看其對位置控制精度的控制精度，即在一個脈沖下，步進電機的轉(zhuǎn)動精確，看起是佛具有很高的定位精度和重復(fù)定位精度。光電編碼器與步進電機輸出軸連接在一起，通過讀取編碼器的值判斷步進電機的控制精度，控制器輸出一個脈沖，測量編碼器同時會輸出相應(yīng)的脈沖數(shù)，通過這個脈沖值計算出步進電機走的角度。實驗時，步進電機設(shè)置為8細分，即每接收一個脈沖，電機轉(zhuǎn)動 0.225°，電編碼器的分辨率一定要遠遠大于這個值，所以我們選擇了20位光電編碼器，它的分辨率為0.000343°，因此單片機每給一個脈沖，編碼器應(yīng)輸出655 個脈沖。記錄的試驗數(shù)據(jù)如圖5所示。

從圖上可以看出，基于該設(shè)計的步進電機細分驅(qū)動器的控制誤差非常小，具有良好的性能。

5 結(jié)語

圖5 記錄的試驗數(shù)據(jù)

本文步進電機細分驅(qū)動器是以AT89C 52單片機為控制器，結(jié)合合理的硬件電路，采用查表的方式進行控制，輸出控制信號實現(xiàn)對步進電機進行精確控制。根據(jù)實驗結(jié)果，可以看出采用該設(shè)計方案不僅提高了電機控制的精度，也改善了低速性能，減小了振動，具有良好的性能。這種設(shè)計方案具有很好的實用價值，也為以后類似產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個很好的借鑒。

[1]唐佳偉. 兩相混合式步進電機細分控制器的設(shè)計[D].浙江理工大學(xué),2016.

[2]田強. 基于單片機的二相混合式步進電機細分控制器研究[D].南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

[3]陳鴿,許飛云,賈民平,胡建中. 基于PIC的步進電機細分控制器[J]. 機電工程,2009,(01):42-44+84.

[4]王曉丹. 基于單片機的步進電機細分驅(qū)動系統(tǒng)的研究[D].中南大學(xué),2008.

[5]孫宏剛. 兩相混合式步進電機細分驅(qū)動控制器的研究[D].華中科技大學(xué),2006.

TP273.5

：A

：1671-0711（2017）06（上）-0070-03