基于單片機的步進電機細分驅動控制系統(tǒng)

郜鵬宇

摘?要：運用自趨圓算法，通過51單片機實現(xiàn)對步進電機的細分控制系統(tǒng)設計。

關鍵詞：細分驅動;近似函數(shù)法;單片機

引言

步進電機是一種用電脈沖進行控制，將電脈沖信號轉換成相應角位移的電機，其機械位移和轉速分別與輸入電機繞組的脈沖個數(shù)和脈沖頻率成正比，每一個脈沖信號可使步進電機旋轉一個固定的角度.脈沖的數(shù)量決定了旋轉的總角度，脈沖的頻率決定了電機運轉的速度。

步進電機細分驅動技術是70年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅動技術。細分驅動技術的廣泛應用，使得電機的相數(shù)不受步距角的限制，為產(chǎn)品設計帶來了方便。

本文采用單片機作為控制中心設計了采用細分驅動技術的步進電機控制系統(tǒng)。

1.細分驅動原理與特點

細分驅動的基本思想是：

細分是通過驅動器精確控制步進電機的相電流實現(xiàn)的，與電機本身無關?？梢栽诿看屋斎朊}沖切換時，不是將定子繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應定子繞組電流的一部分，則電動機的合成磁勢也只旋轉步距角的一部分，轉子的每步運行也只有步距角的一部分。這里，定子繞組電流不是一個方波，而是階梯波，定子繞組電流是臺階式的投入或切除，電流分成多少個臺階，則轉子就以同樣的步數(shù)轉過一個步距角。這種將一個步進角細分成若干步的驅動方法，即為細分驅動，又稱微步驅動。

采用細分驅動技術有許多優(yōu)點：

（1）采用細分驅動技術后，在不改變步進電機整體結構的前提下，可以大幅度提高步進電機的分辨率。

（2）由于電機繞組中的電流變化幅度變小了，所以引起低頻振蕩的過沖能量降低了，即改善了低頻性能，減小了開環(huán)運動的噪聲，提高了運行穩(wěn)定度。

（3）在數(shù)控系統(tǒng)中，加工誤差難以提高的原因很大一部分是由于減速箱的存在，采用細分驅動技術后，可以采用步進電機直接同絲杠相連的形式，這樣可以在很大程度上消除了由減速機構產(chǎn)生的回程誤差及爬行等。

（4）采用細分驅動技術后，可以改善步進電機運行的矩頻特性，控制頻率也可相應提高。

2.細分驅動數(shù)學模型的建立

本文采用的是近似函數(shù)法，也就是通過對步進電機運行特性的分析來獲得近似的數(shù)學模型，建立電流數(shù)據(jù)。

距一角關系曲線如圖1：{

式（4一14）就是計算圓內接正多邊形的遞推公式。用上式進行計算時要注意誤差的積累問題，由于每一步結果和以前一步的計算結果有關，因此也和以前各步的結果的誤差有關，必須作誤差分析，針對此問題的分析可轉化為對初始誤差的積累的估計。將（1-1）代入（1-3）便可以得到電流矢量恒幅均勻旋轉的趨圓自適應算法公式：

（1-4）

由于算法中所采用的線性加正弦規(guī)律能夠最接近于步進電機的非線性特征，波形的均勻性好，從而可以實現(xiàn)步距角的等步距細分;并且完全能夠做到實時計算，動態(tài)細分。對于不同的電機，可以通過控制參數(shù)K2的大小從而調整線性分量與正弦分量之間的比例，通用性也比較好。

3.控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1硬件電路設計

（1）主回路部分。驅動器的主回路采用交一直一交電壓型逆變電路形式，由整流濾波電路、三相逆變電路以及混合式步進電機等組成。整流濾波電路構成直流電壓源，完成220V，50Hz交流電源到直流電源的變換"三相逆變橋電路實現(xiàn)從直流電到變頻變壓交流電的轉換，為三相混合式步進電機的定子繞組提供要求的交流電流。三相逆變電路采用雙H橋驅動。

（2）控制電路部分。單片機一路輸出控制信號至邏輯控制電路用以控制H橋驅動電路的導通與關斷;另一路利用遞推公式（1-4）計算出各相繞組中通過的電流值輸出到D/A轉換器中，由D/A轉換器把數(shù)字量轉換為繞組所需的相電流基準送入比較器。電機相繞組上的實際電流經(jīng)電流采樣轉換后亦輸入比較器，若該電流小于本次細分電流要求，則由比較器輸出控制信號使橋式驅動電路繼續(xù)導通;若該電流已達到本次細分電流基準值，則由比較器輸出控制信號使邏輯控制電路關斷橋式驅動電路。

（3）開關電源。開關電源用來給驅動器內部的控制電路提供多路電源。

3.2?軟件設計

控制電路主要由AT89C51單片機、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲器及可編程鍵盤/顯示控制器Intel一8279等組成，單片機是控制系統(tǒng)的核心，受控步進電機的細分倍數(shù)、運行脈沖頻率、正反轉、運行速度、單次運行線位移以及啟停等的控制既可由鍵盤輸入，也可以通過與上位機的串行通信接口由上位機設置。狀態(tài)顯示提供當前通電相、相電流大小、電機運行時間、正反轉、當前運行速度、線位移及相關計數(shù)等的顯示。單片機的主要功能是輸出EEPROM中存儲的細分電流控制信號進行D/A轉換。細分驅動程序中，細分電流控制信號的輸出采用實時計算的方法得到，并用地址選擇來實現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細分，從而實時控制步進電機的轉角位置。

下面列出主程序（圖6）和細分控制子程序（圖7）的程序框圖。

4.結束語

本文采用51單片機，通過趨圓自適應算法實時控制電機的轉角位置，改變了以往細分控制參數(shù)需要事先計算的方式，節(jié)省了存貯空間，并能動態(tài)的適應多級細分的情況，提供了一個切實可行的基于單片機的步進電機細分控制方案。

參考文獻：

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[2]劉寶志，步進電機的精確控制方法研究，2010.4.5

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