基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【摘 要】本文首先簡單介紹了常見步進(jìn)電機(jī)的工作原理、特點(diǎn)及常用驅(qū)動(dòng)方式，然后設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的控制電路，最后完成了相關(guān)控制程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了最初步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】步進(jìn)電機(jī)；細(xì)分驅(qū)動(dòng)；單片機(jī)；電流控制

1.步進(jìn)電機(jī)工作原理及分類

步進(jìn)電機(jī)是一種特殊的直流同步電機(jī)，它由電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制。脈沖的個(gè)數(shù)決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角，而脈沖的頻率則決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，且二者均為正比關(guān)系。

步進(jìn)電機(jī)的分類方法很多，下面僅介紹按照勵(lì)磁方式的分類。

（1）永磁式步進(jìn)電機(jī)。該類型的步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部有轉(zhuǎn)子和定子，其中的轉(zhuǎn)子由永磁體制造而成。通過對(duì)其定子繞組的通電形成電磁場(chǎng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。這一類的步進(jìn)電機(jī)多為兩相，步距角多為7.5°或15°，常見于醫(yī)療設(shè)備等場(chǎng)合。

（2）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。該類步進(jìn)電機(jī)由磁性轉(zhuǎn)子通過與定子形成的磁場(chǎng)相互作用形成運(yùn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)子上均勻分布很多小齒，定子有三個(gè)勵(lì)磁繞組，其運(yùn)動(dòng)原理為“錯(cuò)齒”。由于小齒加工困難，所以單段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)不能很大，多見有三相、四相、五相。相數(shù)更多時(shí)電機(jī)的制作成本過高，因此相應(yīng)產(chǎn)品很少見。另外一種就是多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其特點(diǎn)就是將定子分布在一根長軸上。此類步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)是電機(jī)的長度、重量很大，因此成本也很高。

（3）混合式步進(jìn)電機(jī)。混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了永磁式步進(jìn)電機(jī)和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可以提供更好的機(jī)械性能。其定子鐵心結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相同，可以分為幾個(gè)大齒，每個(gè)大齒上銑有若干小齒。而控制繞組則與永磁式步進(jìn)電機(jī)相同。比如兩相步進(jìn)電機(jī)的步距角可以達(dá)到1.8°。而隨著電機(jī)相數(shù)的增加，其步距角可以達(dá)到更小，提高了電機(jī)的工作精度，因此該類步進(jìn)電機(jī)使用范圍更加的廣泛。

2.常見步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以大致歸類為硬件實(shí)現(xiàn)與軟件實(shí)現(xiàn)兩種。

硬件實(shí)現(xiàn)類由脈沖信號(hào)控制器、硬環(huán)分電路、驅(qū)動(dòng)電路三部分組成。其中脈沖信號(hào)控制器作用是產(chǎn)生脈沖信號(hào)，硬環(huán)分實(shí)現(xiàn)脈沖的分配，驅(qū)動(dòng)電路是將硬環(huán)分電路的輸出信號(hào)隔離放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。此類系統(tǒng)可以作為開環(huán)使用，其設(shè)計(jì)簡單，成本較低，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可以實(shí)現(xiàn)初步的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。缺點(diǎn)在于一套系統(tǒng)僅能驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)，系統(tǒng)的靈活性、可移植性均很差。

軟件實(shí)現(xiàn)類是目前常用的方式。在這類系統(tǒng)中，控制信號(hào)的產(chǎn)生和分配由單片機(jī)或者PLC實(shí)現(xiàn)并輸出，然后通過隔離電路、信號(hào)放大電路完成對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。這類系統(tǒng)的靈活性很高，可以快速適用于不同的控制系統(tǒng)。同時(shí)由于單片機(jī)和PLC可編程，因此可以實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的控制算法。同時(shí)隨著集成電路等技術(shù)發(fā)發(fā)展，單片機(jī)的性能越來越好，其內(nèi)部集成了PWM模塊、A/D模塊等，可以更加方便地實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

常見的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要有單電壓驅(qū)動(dòng)、單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流斬波驅(qū)動(dòng)、升頻升壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。

其中高低壓驅(qū)動(dòng)是指在脈沖前沿加高壓，從而提高脈沖的前沿陡度，脈沖后沿使用低壓維持電機(jī)繞組中的電流的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。這樣的方法實(shí)際上是加大了系統(tǒng)傳遞到繞組中的電流從而提升了電機(jī)的整體機(jī)械特性。但是在高壓結(jié)束和低壓開始的時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生電流的短暫降低，導(dǎo)致局部機(jī)械特性的損失。這種方式在實(shí)際中仍有應(yīng)用。

所謂恒流斬波驅(qū)動(dòng)，就是利用斬波電路將繞組的電流限制在期望電流附近，從而實(shí)現(xiàn)“恒流驅(qū)動(dòng)”。且由于電流在額定電流附近波動(dòng)，電機(jī)的機(jī)械特性較好。但是斬波電路的電流紋波大，噪聲也比較大。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)是指在切換脈沖時(shí)不是瞬間將繞組的電流切斷或通入，而是以階梯狀的電流波形實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的同時(shí)或切斷。比如將一電機(jī)進(jìn)行n細(xì)分驅(qū)動(dòng)，則電流增大或減小n次才能實(shí)現(xiàn)完全的切斷或通入。這樣可是使定子磁場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)多個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，從而將步距角細(xì)分n份，提高了步進(jìn)電機(jī)的分辨率，使得電機(jī)能夠更加平穩(wěn)地運(yùn)行。

兩相四線步進(jìn)電機(jī)的常規(guī)驅(qū)動(dòng)方式有兩相四拍和兩相八拍兩種，分別為A-B-A'-B'-A和A-AB-B-A'B-A'-A'B'-B'-AB'-A。其中兩相八拍的運(yùn)行模式是2細(xì)分驅(qū)動(dòng)，因此兩相八拍的運(yùn)行模式更加地平穩(wěn)，且精度高。細(xì)分運(yùn)行狀態(tài)下，A-A'相中與B-B'相中的電流的數(shù)值和始終為Im，只是每相中的電流從0變化到Im（反向變化相同）不再是一次階躍變化，而是細(xì)分成四個(gè)小的階躍變化。而穩(wěn)定的磁場(chǎng)狀態(tài)由原來的4個(gè)變?yōu)楝F(xiàn)在的16個(gè)，也就是增加了12個(gè)中間的穩(wěn)定狀態(tài)，因此電機(jī)的運(yùn)行更加平穩(wěn)，而步距角相應(yīng)的變?yōu)樵瓉淼?/4，電機(jī)的分辨率更高，也就是精度更高。

步進(jìn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：Te=pImM（iAcosθ-iBsinθ）

式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，p為電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，M為定子線圈的互感。

若將電流改為正弦形式，

iA=I cosα iB=I sinα

其中角度α為電機(jī)軸預(yù)置位置的電角度。

則電磁轉(zhuǎn)矩可改寫為

Te=pImMIsin（α-θ）

但是必須注意的一點(diǎn)是，電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)在對(duì)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了簡化后計(jì)算得到。在一般場(chǎng)合下，電磁轉(zhuǎn)矩可以認(rèn)為是步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。但是在一些高精度場(chǎng)合還要考慮到摩擦、電樞自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)電機(jī)輸出力矩的影響。如果步進(jìn)電機(jī)作為直驅(qū)電機(jī)使用時(shí)，還要考慮電機(jī)與被驅(qū)動(dòng)對(duì)象間連接件的剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等影響。

由于電機(jī)出廠后，它的電氣特性和機(jī)械特性已經(jīng)確定。在不改變電機(jī)的結(jié)構(gòu)的前提下，通過細(xì)分驅(qū)動(dòng)仍能將電機(jī)的性能大大提升?？刂齐娏鞯幕舅悸肥沁M(jìn)行電流的閉環(huán)控制，而電流則有一輸出電流可控的逆變電源獲得。當(dāng)實(shí)際值小于理想值時(shí)，增大開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，電流變大；實(shí)際值大于理想值時(shí)，減小開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，電流變小。

3.單片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)，分為電源、主控電路、電流檢測(cè)、隔離電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

系統(tǒng)使用STC12C5A60S2做為主控芯片，這是一款國產(chǎn)芯片，指令周期1T，內(nèi)置PWM、AD模塊，最高可工作在24MHz的頻率下，有DIP40封裝和PQFP44封裝，以適應(yīng)不同的尺寸需求。這款芯片完全能夠滿足本系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

隔離電路使用PLT521光耦設(shè)計(jì)完成。使用光耦是為了避免電機(jī)運(yùn)行期間對(duì)主控板造成干擾。PLT521是一款常用的光耦芯片，由于步進(jìn)電機(jī)工作的頻率不高，因此該芯片的速度完全能夠滿足。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用L298設(shè)計(jì)完成，L298內(nèi)置雙H橋，能夠結(jié)構(gòu)TTL信號(hào)作為邏輯信號(hào)。其輸出端最高電壓可達(dá)42V，電流最大2.5A，開關(guān)頻率可達(dá)40KHz。由于實(shí)驗(yàn)中所使用的步進(jìn)電機(jī)功率較小，因此L298可以滿足需要。如果需要驅(qū)動(dòng)較大功率的或相數(shù)更多的步進(jìn)電機(jī)，可采用分立開關(guān)元件自行搭建H橋驅(qū)動(dòng)電路。

開機(jī)運(yùn)行后，程序即循環(huán)檢測(cè)按鍵輸入的指令。當(dāng)檢測(cè)到鍵盤輸入的命令與當(dāng)前單片機(jī)內(nèi)保存的命令不同時(shí)，即更新保存的命令并重新計(jì)算控制參數(shù)；若沒有檢測(cè)到輸入或輸入與前次相同，則控制參數(shù)不變，進(jìn)入電流檢測(cè)環(huán)節(jié)，然后根據(jù)檢測(cè)到的電流生成相應(yīng)的PWM波形。

另外電機(jī)都有固定的額定工作電流和最大超載電流，當(dāng)檢測(cè)到的電流超過最大超載電流后，應(yīng)立即關(guān)斷電機(jī)，從而保護(hù)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的對(duì)象。這個(gè)功能可以由硬件電路實(shí)現(xiàn)，但是考慮到系統(tǒng)的通用性，因此將該功能改成由軟件實(shí)現(xiàn)。

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