基于单片机的步进电机细分技术

单片机 步进电机

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基于单片机的步进电机细分技术

邓燕妮。章烈剥

（武汉理工大学自动化学院，湖北武汉４３００７０）

摘要：介绍了基于单片机的步进电机高精度细分技术。提出了基于ＡＴ８９ｃ５１单片机控制的斩波恒流均匀细分驱动方素度实现方法。运行结果表明，谊方法可使步进电机的细分技术提高到一个更高精度的细分水平。

关键词：步进电机；细分技术；单片机控制；恒转矩；斩波恒流

Ｏ引言

陷．即电流合成矢量在旋转过程中的幅值是处在不断变化中。而这将引起涝后角的不断变化。当步进电机是可将离散的电脉冲信号转化成相细分数很大、微步距角非常小时．滞后角变化的应的角位移或线位移的电磁机械装置，它输出的差值Ｂ已大于所要求细分的微步距角，从而使微角位移与输入的脉冲数成正比。转速与脉冲频率步距角的继续细分实际上失去了意义。

成正比．因而是一种输出与输入脉冲相对应的增第二种是利用单片机的脉冲宽度可调波量驱动元件。该元件具有转矩大、惯性小、响应（Ｐｗ枷来把原来的一个矩形脉冲波分解成一个频率高等优点。但其步矩角较大（一般为１．５。～阶梯波形。若设原来阶梯波角度为Ｂ，则按阶梯３。１．因而满足不了某些高精密定位、精密加工等渡的步距角应为Ｂ，ｒ ，其中ｎ为阶梯波的个数。其方面的要求。实现细分驱动是减小步距角、提高优点是在阶梯波驱动步进电机的时候能通过单片步进分辨率、增加电机运行平稳性的一种行之有机产生的ＰｗＭ波来灵活地改变输出脉冲的高低和效的方法。

长短．从而实现步进电机的柔性控制和实现驱动１细分技术方案

大功率的步进电机。但由于驱动电路复杂且在定位的时候可能会产生振动．故在其振动角度超过目前。国内外的步进电机细分技术的最高微细分的最小角度时，已不适合高精密仪器的定位步距细分水平为２５．５”。而随着科学和工业技术的要求。另外，步进电机接运行频率工作时，启动发展．这一细分水平对于目前很多要求５”以下的和停止都需要有一个缓慢的升频和降频过程。启微步距角来说．远远不能满足要求。为什么长期动时，可在启动频率之下启动步进电机，然后逐渐以来步进电机的细分技术停留在２５．５“的水平上而上升到运行频率；停止时，则先将频率逐渐降低不能再细分？对这一问题的研究结果表明．其原到启动频率以下才能停止。特别是负载转动惯性因在于现有技术大多采用以下两种细分方法：

比较大时．该现象将严重地影响到细分步进转角第一种是将步进电动机的控制位置数（以四的非线性和均匀旋转的控制。这就是现有细分技相混合式步进电机为例）的四拍通电逻辑顺序变术方案不能达到超高分辨的根本原因。

为八拍通电逻辑顺序，从而将步进角降为原来的一半。这种细分驱动方法的优点是只需要改变某２细分电路的设计

一相的电流值。因此在硬件电路的设计上比较容步进电机的细分驱动是通过对步进电机励磁易实现。但这种方法却带来了一个不可克服的缺

绕组中的电流进行控制，从而使步进电机内部的收稿日期：２００６—０９—２９

磁场合成为均匀的圆形旋转磁场．最终实现步进

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电机步距角的细分。下面介绍基于Ａ髓９ｃ５ｌ单片机控制的斩渡恒流细分驱动方案及实现技术。

２．１步进电机细分电流波形的选择及量化

一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。因此，要想实现对步进电机恒转矩的均匀细分控制，就必须

合理控制电机绕组中的电流，使步进电机内部合

成磁场的幅值恒定。且每个进给脉冲所引起的合磁场的角度变化也要均匀。由于在空间彼此相差

２讪ｎ的ｍ相绕组。运行时将分别通以相位上相差

２衲ｎ而幅值相同的正弦电流，因此，合成的电流

矢量便在空间作旋转运动且幅值保持不变。这一

点对于反应式步进电机来说比较困难．’因为反应

式步进电机的旋转磁场只与绕组电流的绝对值有关。而与电流的正反流向无关。如果以比较经济

合理的方式对三相反应式步进电机实现步距角的任意细分．则绕组电流波形宜采用如图１所示的形式。即：

当Ｏ≤ｄ≤２面，３时；ｉ－－Ｌｓｉｎ俚；

当２训３≤Ⅱ≤４州３时，ｉｉ屯ｓｉｎ他１以）；当４１们≤俚≤２竹时，ｉ卢Ｏ；

其中，Ⅸ为电机转子偏离参考点的角度。若ｆｈ

滞后于‘打以，ｔ超前于‘２们，那么此时合成电

流矢量在所有区间，－、／３Ⅱ缸书／２，这将保证合

成磁场幅值的恒定．从而实现电机的恒转矩运行，而步进电机在这种情况下也最为平稳。将绕组电流根据细分倍数均匀量化后．所得的细分步距角也是均匀的。为了进一步得到更加均匀的细分步距角．可通过实验测取一组在通人量化电流波形时的步进电机细分步距的数据．然后对其误差进行插值补偿。以求得实际的补偿电流曲线。

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方数据这些工作大部分要由计算机来完成。在取得校正后的量化电流波形之后，便可以相应的数字量存储于ＥＥＰＲＯＭ的不同区域。其量化的程度决定了细分驱动的分辨率。

。

２．２斩波恒流细分驱动方案及实现方法

斩波恒流细分驱动方案的原理是由单片机输出ＥＥＰＲＯＭ中存储的细分电流控制信号．并经Ｄ，

Ａ将其转换成模拟电压信号。再与取样信号进行

比较以形成斩渡控制信号从而。控制各功率管前级驱动电路的导通和关断，以实现绕组中电流的闭环控制，最终实现步距的精确细分。其系统框图如图２所示。

保护电路

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前级驱动电路

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圈２斩建恒流细分驱动系统框图

（１）控制电路

步距角细分控制电路主要由Ａ，ｒ８９ｃ５１单片

机、晶振电路、地址锁存器、译码器、ＥＥＰＲＯＭ存储器及可编程键盘显示控制器Ｉｎｔｅｌ一８２７９等组成，单片机是该控制系统的核心．受控步进电机

的细分倍数、运行脉冲频率、正反转、运行速度、单次运行线位移、以及启停等的控制既可由

键盘输人。也可以通过与上位机的串行通信接口由上位机设置。状态显示部分可提供当前通电相、相电流大小、电机运行时间、正反转、当前运行速度、线位移及相关计数等的显示。并将工

作状态和数据传送给上位机。传感器（霍尔传感

器）用于检测计数器的当前值。单片机的主要功能是输出ＥＥＰＲＯＭ中存储的细分电流控制信号并进行Ｄ／Ａ转换。根据转换精度的要求。系统中的Ｄ，Ａ转换器既可以选择８位的，亦可选择１２位的。本控制系统选用的是８位Ｄ，Ａ转换器ＭＡ）【５１６。ＭＡＸ５１６它把４个ｎ／Ａ转换器与４个比较器组合在单个的ｃＭＯＳ芯片（ＤＩＰ２０封装）上，４个Ｄ／Ａ转换器共享一个参考输入电压ｙ。。每个转换器的输出

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单片机 步进电机

第９卷第７期２００７年７月

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电压均可采用下式表示：

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其中，Ⅳ：０，ｌ，…．２５５。对应于８位ＤＡＣ的输入码ＤＯ—Ｄ７｛此处为细分电流控制信号）。这样，通过调节Ｐｍ的变化范围．便可调节步进电机绕组中电流的幅值。

（２）功率驱动电路

电路在工作中，步进电机细分电流控制信号的Ｄ，Ａ转换值Ｕｉ将输入到ＭＡＸ５１６内部各比较器Ｃ０＾茔Ｐｊ的同向输入端，绕组电流取样信号ｎ输入到ＣＯＭＰｉ的反向输入端。斩波恒流驱动采用固定频率的方渡用比较器输出信号调制成斩波控制信号，以控制绕组的通电时间，从而使反馈电压ｎ始终跟随Ｄ／Ａ转换输出的控制电压“。合理选择续流回路可使绕组中的电流值在一定的平均值上下波动，且波动范围不大。调制选用的方渡信号频率为２１．７４ｋＨｚ，可由ＡＴ８９Ｃ５１的Ｐ２．５ＰＷＭ端产生。由于各相是同频斩渡。故不会产生差拍现象，从而消除了电磁噪声。电流取样信号可由精密电流传感放大器ＭＡ）【４７１产生。ＭＡｘ４７ｌ同时具有电流检测与放大功能．从而大大方便了整个电路的设计与调试。功率开关管是功放电路中的关键部分。它影响着整个系统的功耗和体积。由于所设计的这种驱动器主要用来驱动额定电流为３Ａ、额定电压为２７ｖ以下的步进电机．故选用高频ｖＭｏＳ功率场效应晶体管ＩＲＦ５４０来作为开关管。

ｆ３１软件设计

本步进电机细分驱动系统的软件主要由主控程序细分驱动程序、键处理程序、显示数据处理及显示驱动程序、通信监控程序等部分组成。细分驱动程序中的细分电流控制信号采用单片机片内ＥＥＰＲＯＭ软件查表法并采用地址选择来实现不同通电方式下的可变步距细分。从而实时控制步进电机的转角位蹙。其流程图如图３所示。

步进电机的正反转控制可通过改变电机通电相序来实现。为达到对步进电机启，停运行过程的快速和狡确控制，可从动力学特性出发推导出符合步进电机矩频特性的曲线，该曲线应该是指数型运行曲线。将这一曲线量化后存人ＥＥＰＲＯＭ中，那么，在步进电机的运行过程中．每个通电状态保持时间的长短。便可由当前速度所对应的

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延时时间值决定。

３结束语

本文提出了步进电机均匀细分驱动器的设计方案，该方案的最高细分可达到２５６，能适应大多数中小微型步进电机的可变细分控链要求和较高细分步距角精度及平滑运行等要求。该细分驱动器的系统功能完善，大量新型元器件的采用使所设计的驱动器具有体积小、细分精度高、运行功耗低、可靠性高、可维护性强等特点。目前，该驱动控制器已用于驱动自行研制的１００ｘ６０ｘ８０

（Ｍ｝小车。该小车的主要执行元件是三褶六拍

步进电机，它既可以作为步进电机运行，也可以作为同步电机运行。当作为步进电机运行时。其粗步距角为１５。，小车轮直径为３２

ｍ．故小车的

粗步进位移为州ｘ１５，３６０＝４１６８．７“ｍ。为了进一

步提高小车的定位精度和系统的运行平稳水平，试验采用上述当细分驱动器。细分数为６４时．其定位精度为６５．４ｐｍ；而当小车需要快速运行时，可采用同步运行方式实现较高的稳速精度。从而取得了满意的效果。

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单片机 步进电机

基于单片机的步进电机细分技术

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

邓燕妮， 章烈剽

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引证文献(2条)

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