基于单片机的改进型五相混合式步进电机驱动器设计.ashx

鲨！鍪芷

壶！！茎堕鱼！墨坐盏！！釜

基于单片机的改进型五相混合式

步进电机驱动器设计

刁红泉，胡伟雄，颜钢锋

（浙江大学电气上程学院，浙江杭州３１００２７）

兰望遄：

摘要：在高性能纺织机械尤其是电脑绣花机中，步进电机是广泛应用的执行部件．电脑绣花机系统中现有五相混合式步进电机驱动器存在诸多不足之灶：低频转矩振荡、高频输出转矩不足和多电源供电等．在分析现有步进电机驱动器的基础上，结合理论分析，设计出一种基于单片机的改进型五相混台式步进电机驱动器该驱动器使用单一

电源供电，采用三相励磁ＰｗＭ输出方式，改善了驱动的矩频特性，在电脑绣花机系统中投人应用．取得良好效果．关键词：单片机；步进电机；励磁方式；硬件电路；软件设计中图分类号：ＴＭ３４；ＴＭ３０１．２

文献标识码：Ａ

文章编号：１００６—７５４Ｘ（ｚ００４）０１一ｏｏ】９—０４

ＤｅｓｉｇｎｏｆｆｉＶｅ—ｐｈａｓｅｈｙｂｒｉｄｓｔｅｐｐｉｎｇｍＯｔｏｒ

ｒｅｆＯｒｍａｔｉｖｅｄｒｉｖｅｒｂａｓｅｄ

ＤＩＡＯＨｏｎｇ—ｑｕａｎ，ＨＵ

（ｃｏｌｌ。ｇｅｏｆ

０ｎ

ＭＣＵ

Ｇａｎｇ—ｆｅｎｇ

Ｗｅｉ—ｘｌｏｎｇ，ＹＡＮ

ＥＩｅｃｍｃａｌＥ“ｇｍｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｌａ“ｇ

ｕｎｌｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａ“ｇｚｈｏｕ３１００２７，ｃｈｌｎａ）

Ａｂｓｔ隋ｅｔ：Ｓｔｅｐｐｌｎｇｍｏｔｏｒ

ｉｓ

ｔｈｅｍｏｓｔｐｏｐｕｌａｒｅｘｅｃｕ“ｖｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｉｎｈｌｇｈｐｅｆｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｘｔｉｌｅ

ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｉｓｅｄｅｍｂｒｏｉｄｅｒｙｍａｃｈｉｎｅ．Ｆｉｖｅ—ｐｈａｓｅｈｙｂｒｉｄｓｔｅｐｐｉｎｇｍ。ｔｏｒｄｒｉｖｅｒｓｉｎｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｉｓｅｄｅｍｂｒｏｉｄｅｒｙｍａｃｈｉｎｅｈａｖｅ

ｔｏｒｑｕｅ

ａ

ｇｏｏｄｍａｎｙｄｅｆｅｃｔｓｓｕｃｈ

ａｓ

１０ｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

ｖ．ｂｒａｔｉ。ｎｓ，ｈｉｇｈｆｒ。ｑｕｅｎｃｙｍａｄｅｑｕａｔｅｔｏｒｑｕｅｏｕｔｐｕｔａｎｄｍｕｌｔｉｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｉｅｓ．Ｃ。ｍｂｉｎｅｄ

ａ

ｗｉｔｈｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａＩｙｓｉｓ，ｔｈｉ８ｐａｐｅ。ｇｉｖｅｓｐｉ“ｇｍｏｔｏｒｄｒｉｖｅｒｓ．

ＴｈｉｓｄｒｉＶｅｒ

ｕｓｅｓ

ｒｅｆｏｒｍａｔｌｖｅｄｒｉｖｅｒｂａｓｅｄ

ｏｎ

ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｒｅｓｅｎｔｓｔｅｐ

ｓｉｎ９１ｅ

ｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｎｄｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎａｎｄｇｉｖｅｓ

ｔｏｒｑｕｅ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

ＰＷＭ

ｏｕｔｐｕｔ．

Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｓｔａｂｍｔｙｍｌｏｗｆｒ。ｑ“ｅｎｃｙａｎｄｔｈｅ

ｌｎ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｎｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎ。ｙａｎｄｉｔｈａｓｂｅｅｎａｐｐｌｌｅｄａｎｄｈａｓａｃｈｉｅｖｅｄ

Ｋｅｙ

ａ

ｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｉｓｅｄｅｍｂｒｏｉｄｅｒｙｍａｃｈｉｎｅ

ｒｅａｌｇｏｏｄｅｆｆｅｃｔ．

ｗｏｒｄｓ：ＭＣＵ；ｓｔｅｐｐｉ“ｇｍｏｔｏｒ；ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｗａｙｓ；ｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔ；ｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ

步进电机作为执行部件，广泛用于自动控制系

统中．混合式步进电动机因其具有运行频率高、动态力矩大、波动小、运转平稳、噪声低、定位精度和分辨率高等优点，已广泛应用于各种机电一体化设备中．在纺织机械中，最常用的步进电机是五相混合式步

迸电机，而电脑绣花机系统中所用步进电机型号一

１现有步进电机驱动器的缺点

步进电机驱动器输入的控制信号一般有４个：ＯＰＴ０（公共阳极）、ＦＲＥＥ（脱机电平）、ＤＩＲ（方向电

平）、ｃＰ（步进脉冲）．现有电脑绣花机系统步进电机驱动器（以某型号为例），使用ＡＴ８９ｃ２０５１控制芯片，接受外部控制信号，输出５路信号，经过译码电路之后得到１０路输出信号，然后分别通过上下桥臂驱动电路驱动功率ＭＯｓＦＥＴ，得到五相输出用来驱

动步进电机．在低频工作时，其输出电流冲击较大，

般为１１０ＢＹＧ５５０，故作者设计的也是与之相配套的驱动器［１。．在分析电脑绣花机中现有步迸电机驱动器的基础上，为减小其低频转矩振荡，提高高频输出

转矩，方便使用，作者设计出一种改进型步进电机驱动器．

为了减小电流冲击，器要使用ＦＲＥＥ信号频繁封锁

收稿日期：２００３—０７１６．

作者简介：刁红泉（１９７９一），男，江苏如东人，硕士生，从事数码纺织硬件开发等研究，Ｅ—ｍａｌｌ：ｑｕａｎｆｅｙ＠ｓｔｎａ．ｃｏｍ

颜钢锋（１９５９一），男．浙江永康人，教授，从事纺织ＣＡＤ／ｃＡＭ、非线性等研究．

工程设计学报第１１卷

输出；在停机或者长时问无输人步进脉冲时，需要输

７１＾口＝７１』＋了＇Ｈ＝７．，Ｋｓｌｎｚ目＋了＿，Ｋｓｌｎｆｚ日一÷Ⅱ１一

＼

０

入ＦＲＥＥ信号封闭输出，以免步进电机相电流过

大、通电时问过长而发热．在脱机的时候，没有输出转矩；在电脑绣花机中．这种情形影响水大（负载为反抗性负载），而对于位势性负载，若要锁定转矩，则需ＦＲＥＥ信号的配合，实现ＰｗＭ输出，这样会占据部分主控ｃＰｕ的资源；或者在步进电机绕组上串联限流电阻而不脱机，这样相应地增大了损耗．现有步进电机驱动器的励磁方式为两相励磁，这种方

』

ｆ

２ｃｏｓ导丁ｍｍｆｚ目一；１。

ｄ

０一

ｌ，６２ 了１ＰｄｎＩ邪导ｌ；

＼

Ｊ

（４）

Ｊ

三相：

Ｙ１＾盯一７１＾＋丁Ｂ

丁，Ｋｓｉｎ

７１（＿一

ｚ一十Ｔ’ＰＫｓｉｎ！ｚ口一导Ⅱ１

ｏ

＼

ｏ

式下的转矩输出不是最大的，尤其在高频情况下，输

丁１ⅢｓｉｎＩｚ口善”｝≈

、

Ｊ

出转矩不足．其输入电源需要两路输入：控制电源

（Ａｃ２２０ｖ）和工作电源（Ａｃ９０Ｖ），双路电源输入尤其是Ａｃ９０ｖ的输入需要变压器配合，即用步进电机驱动器时必须使用变压器，这既造成使用的不便，也增加了开支．

２．１４ 丁，Ｋｓｉｎ（Ｚ占一０．０５４Ⅱ），（５）

丁㈣＝７１＾＋了’Ｂ一７１Ｄ一

，

ｑ

、

丁Ｐｘｓｉｎｚ口＋丁ＰＦｓｉｎｆｚ８一÷Ⅱｊ

ｌ

ｏ

』

ＴｍｓｉｎＩｚ目一导“】≈

０

，

，

２关于步进电机的一些理论分析

２．１步进电机转矩的分析

步进电机的转矩表示如下：

２．６２ 丁，ｘｓｉｎ｛ｚ口一詈１．

Ｊ

一＇

（６）

式（５）和式（６）中负号表示绕组反向通电．从式（４１～

（６）可以得出，双相励磁得到的静态峰值转矩大约是单相励磁峰值的１．６２倍，而三相励磁时最大静态峰

（１）

ｒｆＴ郦ｉ。ｆｚ８一呈坚手旦。１，

值转矩是单相励磁的２．６２倍（四相导通输出转矩反

而减小）．因此，作者设计的步进电机驱动器采用三相励磁，这样可以充分利用磁芯容量，提高输出转

式（１）中，７１ｍ为最大转矩，口为定子齿和转子齿轴线

问电角度（ｏ≤日≤２ｎ），Ｐ为相数，ｘ为相序数（１≤ｘ

≤Ｐ）．

步进电机的励磁方式（单相励磁、双相励磁等）

矩，增强步进电机的负载能力尤其是高频负载能力．五相混合式步进电机线圈绕组接线方法有星形和五

边形两种，但是对于五边形接法来说，不能实现三相励磁，故选用星形接法．

２．２星形接法最大输出转矩开关序列

不同，相应的输出转矩也不同．对三楣步进电机来

说，单相和双相励磁时，它的输出转矩大小没有变化，仅仅是角度发生了变化．

单相：

丁＾＝Ｔ职ｓｉｎＺ毋；

双相：

Ｔ＾Ｂ一丁＾＋丁月一丁。ｓｉｎ

（２）

将三相励磁最大输出转矩方式转换成五相逆变

桥的上下桥臂的开关序列，再按照此序列控制五相

桥，便能实现三相励磁最大转矩输出．步进电机绕组

排列顺序如图１所示，图中开关大写字母表示正相绕组，小写字母表示反相绕组．从图１可以看出，当

ｚ目＋丁。ｓｉｎ（ｚ目一号ｎ１—７’，ｘ（ｚ日一号１．

（３）

相邻的三相导通的时候（大写字母表示正向通电，小

写字母表示反向通电），由式（６）可知此时输出转矩

从式（２）和（３）中，显然可以得到上述结论．

而对于五相步进电机来说，情况就有所不同了．单相：

７１＾＝ＴＰＫｓｉｎＺｄ；

最大．故从图１中就可以推出三相励磁十拍运行方式的开关序列：ＡｄＢ—ｄＢｅ—ＢｅＣ—ｅＣａ—ＣａＤ—ａＤｂ

—ＤｂＥ—ｂＥｃ—ＥｃＡ—ｃＡｄ（太写字母表示上桥臂开

通，小写字母表示下桥臂开通）．

Ｓ

Ｎ

Ｓ

Ｎ

Ｓ

Ｎ

Ｓ

Ｎ

双相：

Ｎ

Ｓ

Ｎ

匕厂］！厂］！厂］：厂］！厂］：厂］！厂］：厂］！厂］：厂］±ｌ

圈１步进电机绕组排列顺序

Ｆ１９．１

ＷｉｎｄＩ“ｇ

８ｅｑｕｅｎｃｅ

ｏｆｓｔｅｐｐｍｇｍｏｔｏｒ

第】期刁红泉，等：基于单片机的改进型五相混合式步进电机驱动器设计

３步进电机驱动器硬件电路设计

根据以上分析，作者设计出基于８９ｃ５１单片机的改进型步进电机驱动器．驱动器硬件电路如图２所示…，此驱动器和现有驱动器输入输出兼容，可以直接替换现有步进电机驱动器．图２没有画出电源

部分，此驱动器采用单一交流工频２２０ｖ供电，其中控制电路供电由变压器输出提供；１１０ＢＹＧ５５０系列步进电机的工作电压为８０～３００Ｖ．而２２０Ｖ交

流电经过全桥不可控整流之后输出电压大约为３１１

Ｖ，故主工作电源需经过斩波电路降压之后再提供．

圈２改进型步进电机驱动器硬件电路圈

Ｆｉｇ．２

Ｈａｒｄｗａｒｅｃｌｒｃｕｉｔｄｉａｇｒａｍｏｆ

ｓｔｅｐｐｌ“ｇ

ｍｏｔｏｒｒｅｆｏｒｍａｔｉｖｅｄｒｉｖｅｒ

上桥臂开关管和下桥臂开关管不共地，故上下使能禁止脱机查询等功能，ｃＰ中断服务子程序主要实现偏址运算、查开关序列表输出控制脉冲和重启定时器清除ＩＥｌ标志位等功能，定时器中断服务子程序主要实现ＰｗＭ控制功能．主程序和ｃＰ中断服务子程序流程如图３和图４所示，定时中断服务

子程序较简单，故不给出流程图．

桥臂驱动电路需要单独设计：上桥臂驱动电路接受给定控制信号，经放大电路放大，然后经过高频脉冲变压器隔离之后驱动上桥臂开关管；下桥臂驱动电路接受给定控制信号，由光耦隔离后经放大电路驱

动下桥臂开关管．在驱动电路中，上桥臂驱动电路设计是关键技术问题，作者采用非门７４ＨＣ０４接电阻

电容组成振荡器产生高频振荡，通过与非门控制输出驱动高频脉冲变压器，变压器输出通过垒桥整流

得到直流电压驱动开关管．

五相逆变桥采用三相励磁ＰｗＭ输出方式，这

样输出转矩大，既能近似恒流，叉能在长时间无脉冲

的情况下锁定转矩，对于位势性负载，无ＦＲＥＥ脉

冲配合的情形下此驱动器也能很好地工作．

改进型驱动器相比现有驱动器有以下改进之处：

（１）用８９ｃ５１替代８９ｃｚ０５ｌ和译码电路，在不

增加成本的基础上增强了性能．

（２）采用单一２２０Ｖ电源供电，省去了变压器。降低了使用成本，方便使用．

圈３主程序流槛

Ｆｉｇ．３

Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｍａｉｎｒｏｕｔｉｎｅ

（３）采用三相励磁，增大了输出转矩，提高了输

出容量．

（４）使用软件定时ＰｗＭ方式输出，能够近似恒

５结论

改进型步进电机驱动器相比现有步进电机驱动器，性能有很大的改进．低频转矩稳定，高频输出转

矩大．此驱动器已经成功地应用于电脑绣花机系统中。用于驱动１１０ＢＹＧ５５０系列五相混合式步进电

流，在无脉冲时安全锁定转矩．

４系统软件设计

在硬件基础上，用Ｃ语言设计出系统软件口］，步迸电机驱动器软件主要由主程序、ＣＰ中断服务子程序和定时中断服务子程序组成．主程序主要实现中

机．此驱动器生产成本也低于现有步进电机驱动器，这样既降低了电脑绣花机成本，又提高了刺绣质量．

断控制寄存嚣初始化、定时器工作模式设定和中断

２２

工程设计学报

第１１卷

参考文献：［１］ＤＩＡＯ

Ｈｏ“ｇ—ｑｕａｎ，ＹＡＮ（；ａｎＥ

ｄｅｓｉｇｎ

ｓｃｈｅｍｅ

ｏｆ

ｆｅｎｇ（习红泉，颜钢锋）．

ｅｍｂｒ。ｌｄｅｒｙ

Ｉｎｔ８９ｒａＩｍａｃｈｌｎｅ’ｓ

ｃｏｍｐｕｔｅｒｊｓｅｄ

ｃｏｎｔｒｏｌ

ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．．儿“ｒ加ｆＤ，Ｅｎ毋ＫＰＰｒｚＨｇ

Ｉ砖ｎ卵（工程设计学报），２００３，１０（５）：１８８—１９１．（１ｎ

Ｃｈｉｎｅｓｅ）

［２］ＬＩＧｕａ“ｇ—ｄｉ（李广弟）．Ｂｄｓ七。，＾们ｕ（单片机基础）

［Ｍ］－Ｂｅｌｊｌ“ｇ：ＢｅｉｈａｎｇＵｎｌｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓｔｌ９９４．（Ｉｎｃｈｌ－

ｎｅｓｅ）

［３］ＭＡｚｈｏ“ｇ—ｍ“，儿ｓｈｕｎ—ｘｌｎ，ｚＨＡＮＧＫａｉ，＃ｆ“．（马忠

梅，籍顺心，张

凯，等）．ｃＰ加ｇｍ帆￡ｋｊｉ肼ｏ，Ｍｃｕ

（单片机的ｃ语育应用程序设计）［Ｍ］．Ｂｅｉ】Ｉ“ｇ：Ｂｅｌ一

ｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ，１９９９，（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）

田４

Ｆ１９．４

ｃＰ中断服务子程序魔程

Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ

ｓｅｒｖＩｃｅ

ＦＩｏｗｃ１１ａｒｔｏｆＣＰ

ｓｕｂｒｏｕｔｉｎｅ

牙ｘ撰譬啦毋学弛卑簪塌ｑ簪蚺窜蚺窜弛≠爆窑弛皋留毡是留吣器牙码翠牙弛芦孕岫皋簪塔‰零牙毡卑罂喀她器窖弛摹琴墙％牙翠密弛皋簪蚺爨霹零辞

第十届全国机械设计年会

征文通知

一、征文范囤

（１）设计综速：现代设计技术的进展、先进设计理论与方法、现代谩计与试验技术等．

（２）设计创新：新产品开生、方案设计创新、机构设计电０新、设计技术与过程技术的集成创新等，

（３）设计与分析方法ｔ并行谩计、虚拟设计、协同设计、网蝽设计、智能设计、集成谩计、系统设计、先进的机械零部件设计、

强度谩计、动力学设计、可靠性设计、摩撩学设计、工业造型设计、设计评价、价值工程、模糊谩计、反求设计、概念设计、可重构设计、优化设计、有限元分析、寿夸估算和瘦劳设计、防疲劳谩计厦技术、动态模拟与仿真等．

（４）设计技术与戟停：ＣＡＤ／ＣＡＥ／ｃＡＰＰ、设计教据库、诊断与设计、谩计工具软件、谩计应用鞔件等．

（５）数字化设计，计算机支持下的产品开发与设计、制违过程设计与技术、基于信息的设计／过程技术、集成化设计信息系

统、数据戽和支持系韩、系托设计集成开发工具、复杂系统橐成的计算机辅助谩计等．

（６）生态设计：蟓色设计、环境设计、视觉传达设计、造型诬计、包蓑设计、生命周期谩计、基于球色生态环境设计、分形设

计等．

＝、妊文时何

即日超开始征文．征文截稿日期为２００４年６月１５日，妊审定后于２００４年６月２５日前套议秘书处发出正式录用厦史版

面费的通知（论文版面赍５００元／蒿），同时寄生套议通知．

三、联系地址

地址：北京百万庄南街１号中田机械工程学会机械设计分套

邮墒：１０００３７

联系人：孙蕞

电传

话ｔ０１０—８８３７９７８５真｛０１０一６８３１１３９０

Ｅ—ｍａｉｌｉｓｕｎｖｅｓｓ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ，ｓｕｎｖｅ５５＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ

基于单片机的改进型五相混合式步进电机驱动器设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

刁红泉， 胡伟雄， 颜钢锋

浙江大学,电气工程学院,浙江,杭州,310027工程设计学报

JOURNAL OF ENGINEERING DESIGN2004,11(1)7次

参考文献(3条)

1.马忠梅;籍顺心;张凯 单片机的C语言应用程序设计 19992.李广弟 单片机基础 1994

3.刁红泉;颜钢锋 Integral design scheme of computerised embroidery machine's control system 2003(05)

引证文献(7条)

1.黄勇 一种基于TMS320F2812的五相步进电机细分驱动方案[期刊论文]-湖北民族学院学报（自然科学版）2011(1)

2.宋受俊.刘卫国 通用混合式步进电动机驱动控制系统硬件设计[期刊论文]-电气传动 2007(9)3.宋受俊 基于单片机的电机运动控制系统设计[学位论文]硕士 20064.樊伟书 新型电机驱动电路的研究[学位论文]硕士 2006

5.颜钢锋.李锋 弱磁控制在变频矢量控制系统中的应用[期刊论文]-工程设计学报 2005(2)6.李岩 高速电子提花机的研制[学位论文]硕士 2005

7.刁红泉 基于DSP的三相混合式步进电机脉冲细分驱动系统[学位论文]硕士 2005

本文链接：/Periodical_gcsj200401005.aspx

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/h0n4.html