基于单片机的步进电机细分驱动控制系统

基于单片机的步进电机细分驱动控制系统

摘要：运用自趋圆算法，通过51单片机实现对步进电机的细分控制系统设计。

关键词：细分驱动;近似函数法;单片机

引言

步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成相应角位移的电机，其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比，每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电机运转的速度。

步进电机细分驱动技术是70年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动技术。细分驱动技术的广泛应用，使得电机的相数不受步距角的限制，为产品设计带来了方便。

本文采用单片机作为控制中心设计了采用细分驱动技术的步进电机控制系统。

1.细分驱动原理与特点

细分驱动的基本思想是：

细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的，与电机本身无关。可以在每次输入脉冲切换时，不是将定子绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应定子绕组电流的一部分，则电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分。这里，定子绕组电流不是一个方波，而是阶梯波，定子绕组电流是台阶式的投入或切除，电流分成多少个台阶，则转子就以同样的步数转过一个步距角。这种将一个步进角细分成若干步的驱动方法，即为细分驱动，又称微步驱动。

采用细分驱动技术有许多优点：

（1）采用细分驱动技术后，在不改变步进电机整体结构的前提下，可以大幅度提高步进电机的分辨率。

（2）由于电机绕组中的电流变化幅度变小了，所以引起低频振荡的过冲能量降低了，即改善了低频性能，减小了开环运动的噪声，提高了运行稳定度。

（3）在数控系统中，加工误差难以提高的原因很大一部分是由于减速箱的存在，采用细分驱动技术后，可以采用步进电机直接同丝杠相连的形式，这样可

以在很大程度上消除了由减速机构产生的回程误差及爬行等。

（4）采用细分驱动技术后，可以改善步进电机运行的矩频特性，控制频率也可相应提高。

2.细分驱动数学模型的建立

本文采用的是近似函数法，也就是通过对步进电机运行特性的分析来获得近似的数学模型，建立电流数据。

距一角关系曲线如图1：{

式（4一14）就是计算圆内接正多边形的递推公式。用上式进行计算时要注意误差的积累问题，由于每一步结果和以前一步的计算结果有关，因此也和以前各步的结果的误差有关，必须作误差分析，针对此问题的分析可转化为对初始误差的积累的估计。将（1-1）代入（1-3）便可以得到电流矢量恒幅均匀旋转的趋圆自适应算法公式：

（1-4）

由于算法中所采用的线性加正弦规律能够最接近于步进电机的非线性特征，波形的均匀性好，从而可以实现步距角的等步距细分;并且完全能够做到实时计算，动态细分。对于不同的电机，可以通过控制参数K2的大小从而调整线性分量与正弦分量之间的比例，通用性也比较好。

3.控制系统的实现

3.1硬件电路设计

（1）主回路部分。驱动器的主回路采用交一直一交电压型逆变电路形式，由整流滤波电路、三相逆变电路以及混合式步进电机等组成。整流滤波电路构成直流电压源，完成220V，50Hz交流电源到直流电源的变换”三相逆变桥电路实现从直流电到变频变压交流电的转换，为三相混合式步进电机的定子绕组提供要求的交流电流。三相逆变电路采用双H桥驱动。

（2）控制电路部分。单片机一路输出控制信号至逻辑控制电路用以控制H 桥驱动电路的导通与关断;另一路利用递推公式（1-4）计算出各相绕组中通过的电流值输出到D/A转换器中，由D/A转换器把数字量转换为绕组所需的相电流基准送入比较器。电机相绕组上的实际电流经电流采样转换后亦输入比较器，若该电流小于本次细分电流要求，则由比较器输出控制信号使桥式驱动电路继续导通;若该电流已达到本次细分电流基准值，则由比较器输出控制信号使逻辑控制电路关断桥式驱动电路。

（3）开关电源。开关电源用来给驱动器内部的控制电路提供多路电源。

3.2软件设计

控制电路主要由AT89C51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入，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。单片机的主要功能是输出EEPROM 中存储的细分电流控制信号进行D/A转换。细分驱动程序中，细分电流控制信号的输出采用实时计算的方法得到，并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置。

下面列出主程序（图6）和细分控制子程序（图7）的程序框图。

4.结束语

本文采用51单片机，通过趋圆自适应算法实时控制电机的转角位置，改变了以往细分控制参数需要事先计算的方式，节省了存贮空间，并能动态的适应多级细分的情况，提供了一个切实可行的基于单片机的步进电机细分控制方案。

参考文献：

[1]田强，基于单片机的二相混合式步进电机细分控制器研究，2011.6

[2]刘宝志，步进电机的精确控制方法研究，2010.4.5

[3]邓燕妮，章烈剽，基于单片机的步进电机细分技术研究，电子科技，2007.5