基于Proteus的步進電機細分控制仿真

肖 鋒 林榮文

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

步進電機的細分驅動控制主要是為了提高系統(tǒng)的分辨率以提高精度和防止步進電機低頻振蕩，以增加運行的平穩(wěn)性[1]。本文通過Proteus仿真軟件對步進電機細分控制進行仿真，仿真結果可以看出，經過細分控制后不僅步進電機的步距角減小，而且定子繞組電壓和電流的突變值也減小，可以看出細分控制能夠改善電機低速運行時的性能。

1 步進電機細分控制的原理

圖1 細分控制原理圖

2 仿真電路的建立

本次設計中，在Proteus中搭建電路，通過C51單片機提供PWM波，控制步進電機A,B兩相的電壓，控制系統(tǒng)如圖2所示。電路中主要包括4部分：單片機控制單元、步進電機驅動電路、測量模塊、控制對象。單片機控制單元產生PWM波；驅動電路為兩個2N6660型號的P-MOSFET組成的BUCK電路，通過單片機輸出的PWM波控制A、B兩相繞組的電壓。測量模塊使用的是Proteus自帶的仿真表格，用于測量 A相電流和電壓波形；控制對象選用的是兩相步進電機，其內阻設置為20?，電感為10mh。電路中在A、B兩相加入電容，對高頻諧波進行濾波，使兩相電壓的波動減小，利于電機的控制。

圖2 控制系統(tǒng)圖

3 仿真實驗結果

本設計通過 Proteus仿真軟件對步進電機轉子從A相運行到B相的過程進行8細分控制了仿真。從步進電機運行的仿真結果顯示，原來步進電機由A相運行到B相時，步距角由是0°～90°一次跨越的，如圖3所示。

圖3 細分控制前A相運行到B相的仿真結果

細分控制后，在0～90°的狀態(tài)之間加入了6個狀態(tài)，步進角的變化過程如下：0°→15.3°→29.2°→36.4°→45.2°→61°→74.9°→90°，如圖 4 所示。

圖4 細分控制后A相運行到B相的仿真結果

通過對比結果可以看出，經過細分控制后，步進電機的步距角得到了細化。在0～90°的過程中走的步數(shù)增加了6步。細分控制前，當電機輸入頻率較低的驅動脈沖時，電機會有明顯的振動。細分控制后，電機在相同低的驅動頻率下也能正常運行。仿真的過程中，可以看到比細分控制前更加穩(wěn)定，振動比細分前減小了。步進電機的低速運行性能有了很大的提高。同時，通過改變 A、B兩相電壓的變化大小，可以改變步距角的大小，達到控制步距角可變的特點。

細分前，A相電壓、電流波形如圖5和圖6所示。圖中可以看出，步進電機的旋轉一步時，A相兩端電壓最大值Umax=1.6V、最小值Umin=0V，電壓變化大小ΔU=Umax-Umin=1.6V。電流的最大值Imax=80mA、最小值Imin=0A，電流變化大小ΔU=Imax-Imin=80mA。

圖5 細分前A相電壓波形

圖6 細分前A相電流波形

細分控制后，A相電壓的大小隨時間按階梯變化逐漸減小，每個階梯電壓最大的差值由圖 7可知為0.4V，即最大電壓變化大小ΔUmax=0.4V，同理，由圖8可以看出A相最大電流變化大小ΔImax= 20mA。細分前、后，電壓和電流變化大小的比值如下式可知

由以上兩個比值可以看出，經過細分控制后 A相所受的電壓和電流的波動為原來的1/4，減小幅度還是比較明顯的。細分控制前，A相電壓和電流的波動比較大，步進電機每步切換的過程中有較大的瞬間沖擊量，如果在低速場合，這些沖擊量就會使步進電機產生振動，使運行效果不光滑。細分控制后A相的電壓、電流是階梯變化的，波動只有原來的1/4，運行時的沖擊量就減小了很多，這樣在低速運行時也不會產生較大的振動，使步進電機在低速運行時也有比較光滑的效果。

圖7 細分后A相壓波形

圖8 細分后A相流波形

4 結論

通過對仿真實驗結果的比較，經過細分控制后的步進電機的步距角減小了，步進電機的低速性能有較明顯的改善，這樣使步進電機能夠工作在比細分控制前轉速低很多的情況下正常、穩(wěn)定的運行，改善了低速運行時的性能。從電壓、電流的對比圖可以看出，細分控制前，步進電機在每步的切換的過程中會受到較大的沖量，在低速運行時會有比較明顯的振動。經過細分控制后，原來電機運行時的電壓、電流的波動大小只有原來的1/4，使電機在運行過程中的振動減小了很多，在低速運行時，有比較光滑的運行效果。因此，步進電機的細分控制能夠減小步進電機的步距角，提高電機的控制精度，同時也改善電機的低速運轉性能。

在本次仿真實驗中，由于各種仿真及計算的誤差，沒有使步進電機的步進角的變化是均勻的，需要引進反饋及更準確的算法對步進電機的步距角細化進行均勻、準確的控制，需要在以后的研究中改進。

[1] 姜平.步進電動機細分控制函數(shù)修正新算法[J].微電機.2005,38(4):31.

[2] 王盈.步進電機的細分驅動及動態(tài)性能仿真[D]. 大連交通大學,2007:2.