试谈单片机基于单片机步进电机驱动制约系统设计与实现

论文导读：角可以达到更小，提高了电机的工作精度，因此该类步进电机使用范围更加的广泛。2.常见步进电机驱动系统及驱动技术步进电机的驱动系统可以大致归类为硬件实现与软件实现两种。硬件实现类由脉冲信号控制器、硬环分电路、驱动电路三部分组成。其中脉冲信号控制器作用是产生脉冲信号，硬环分实现脉冲的分配，驱动电路是
【摘 要】本文首先简单介绍了常见步进电机的工作原理、特点及常用驱动方式，然后设计并实现了两相混合式步进电机的控制电路，最后完成了相关控制程序设计，实现了最初步进电机驱动控制系统的设计目标。
【关键词】步进电机；细分驱动；单片机；电流控制

1.步进电机工作原理及分类

步进电机是一种特殊的直流同步电机，它由电脉冲信号进行控制。脉冲的个数决定了步进电机的转角，而脉冲的频率则决定了步进电机的转速，且二者均为正比关系。
步进电机的分类方法很多，下面仅介绍按照励磁方式的分类。
（1）永磁式步进电机。该类型的步进电机内部有转子和定子，其中的转子由永磁体制造而成。通过对其定子绕组的通电形成电磁场，从而带动转子运动。这一类的步进电机多为两相，步距角多为

7.5°或15°，常见于医疗设备等场合。

（2）反应式步进电机。该类步进电机由磁性转子通过与定子形成的磁场相互作用形成运动。其转子上均匀分布很多小齿，定子有三个励磁绕组，其运动原理为“错齿”。由于小齿加工困难，所以单段反应式步进电机的相数不能很大，多见有三相、四相、五相。相数更多时电机的制作成本过高，因此相应产品很少见。另外一种就是多段反应式步进电机，其特点就是将定子分布在一根长轴上。此类步进电机的缺点是电机的长度、重量很大，因此成本也很高。
（3）混合式步进电机。混合式步进电机综合了永磁式步进电机和反应式步进电机的优点，可以提供更好的机械性能。其定子铁心结构与反应式步进电机相同，可以分为几个大齿，每个大齿上铣有若干小齿。而控制绕组则与永磁式步进电机相同。比如两相步进电机的步距角可以达到1.8°。而随着电机相数的增加，其步距角可以达到更小，提高了电机的工作精度，因此该类步进电机使用范围更加的广泛。

2.常见步进电机驱动系统及驱动技术

步进电机的驱动系统可以大致归类为硬件实现与软件实现两种。
硬件实现类由脉冲信号控制器、硬环分电路、驱动电路三部分组成。其中脉冲信号控制器作用是产生脉冲信号，硬环分实现脉冲的分配，驱动电路是将硬环分电路的输出信号隔离放大，以驱动步进电机的运行。此类系统可以作为开环使用，其设计简单，成本较低，运动平稳，可以实现初步的细分驱动。缺点在于一套系统仅能驱动一个电机，系统的灵活性、可移植性均很差。
软件实现类是目前常用的方式。在这类系统中，控制信号的产生和分配由单片机或者PLC实现并输出，然后通过隔离电路、信号放大电路完成对电机的驱动。这类系统的灵活性很高，可以快速适用于不同的控制系统。同时由于单片机和PLC可编程，因此可以实现一些复杂的控制算法。同时随着集成电路等技术发发展，单片机的性能越来越好，其内部集成了PWM模块、A/D模块等，可以更加方便地实现步进电机驱动系统的设计与实现。
常见的步进电机的驱动技术主要有单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、恒流斩波驱动、升频升压驱动和细分驱动等。
其中高低压驱动是指在脉冲前沿加高压，从而提高脉冲的前沿陡度，脉冲后沿使用低压维持电机绕组中的电流的步进电机驱动方式。这样的方法实际上是加大了系统传递到绕组中的电流从而提升了电机的整体机械特性。但是在高压结束和低压开始的时刻会产生电流的短暂降低，导致局部机械特性的损失。这种方式在实际中仍有应用。
所谓恒流斩波驱动，就是利用斩波电路将绕组的电流限制在期望电流附近，从而实现“恒流驱动”。且由于电流在额定电流附近波动，电机的机械特性较好。但是斩波电路的电流纹波大，噪声也比较大。
细分驱动是指在切换脉冲时不是瞬间将绕组的电流切断或通入，而是以阶梯状的电流波形实现驱动电流的同时或切断。比如将一电机进行n细分驱动，则电流增大或减小n次才能实现完全的切断或通入。这样可是使定子磁场在旋转过程中出现多个稳定的状态，从而将步距角细分n份，提高了步进电机的分辨率，使得电机能够更加平稳地运行。
两相四线步进电机的常规驱动方式有两相四拍和两相八拍两种，分别为A-B-A'-B'-A和A-AB-B-A'B-A'-A'B'-B'-AB'-A。其中两相八拍的运行模式是2细分驱动，因此两相八拍的运行模式更加地平稳，且精度高。细分运行状态下，A-A'相中与B-B'相中的电流的数值和始终为Im，只是每相中的电流从0变化到Im（反向变化相同）不再是论文导读：
一次阶跃变化，而是细分成四个小的阶跃变化。而稳定的磁场状态由原来的4个变为现在的16个，也就是增加了12个中间的稳定状态，因此电机的运行更加平稳，而步距角相应的变为原来的1/4，电机的分辨率更高，也就是精度更高。
步进电机的电磁转矩计算公式为：Te=pImM（iAcosθ-iBsinθ）
式中，Te为电磁转矩，p为电机转子的齿数，M为定子线圈的互感。
若将电流改为正弦形式，
iA=I cosα iB=I sinα
其中角度α为电机轴预置位置的电角度。
则电磁转矩可改写为
Te=pImMIsin（α-θ）
但是必须注意的一点是，电磁转矩实在对电机的数学模型进行了简化后计算得到。在一般场合下，电磁转矩可以认为是步进电机的输出转矩。但是在一些高精度场合还要考虑到摩擦、电枢自身转动惯量对电机输出力矩的影响。如果步进电机作为直驱电机使用时，还要考虑电机与被驱动对象间连接件的刚度、转动惯量等影响。
由于电机出厂后，它的电气特性和机械特性已经确定。在不改变电机的结构的前提下，通过细分驱动仍能将电机的性能大大提升。控制电流的基本思路是进行电流的闭环控制，而电流则有一输出电流可控的逆变电源获得。当实际值小于理想值时，增大开关管的导通时间，电流变大；实际值大于理想值时，减小开关管的导通时间，电流变小。

3.单片机驱动系统的设计与实现

硬件电路采用模块化设计，分为电源、主控电路、电流检测、隔离电路、电机驱动电路。
系统使用STC12C5A60S2做为主控芯片，这是一款国产芯片，指令周期1T，内置PWM、AD模块，最高可工作在24MHz的频率下，有DIP40封装和PQFP44封装，以适应不同的尺寸需求。这款芯片完全能够满系统的应用需求。
隔离电路使用PLT521光耦设计完源于：毕业设计论文范文www.7ctime.com
成。使用光耦是为了避免电机运行期间对主控板造成干扰。PLT521是一款常用的光耦芯片，由于步进电机工作的频率不高，因此该芯片的速度完全能够满足。
电机驱动模块使用L298设计完成，L298内置双H桥，能够结构TTL信号作为逻辑信号。其输出端最高电压可达42V，电流最大2.5A，开关频率可达40KHz。由于实验中所使用的步进电机功率较小，因此L298可以满足需要。如果需要驱动较大功率的或相数更多的步进电机，可采用分立开关元件自行搭建H桥驱动电路。
开机运行后，程序即循环检测按键输入的指令。当检测到键盘输入的命令与当前单片机内保存的命令不同时，即更新保存的命令并重新计算控制参数；若没有检测到输入或输入与前次相同，则控制参数不变，进入电流检测环节，然后根据检测到的电流生成相应的PWM波形。
另外电机都有固定的额定工作电流和最大超载电流，当检测到的电流超过最大超载电流后，应立即关断电机，从而保护电机及其驱动的对象。这个功能可以由硬件电路实现，但是考虑到系统的通用性，因此将该功能改成由软件实现。
【参考文献】
郭天祥.新概念51单片机C语言教程.2009，1.
陈伯时.电力拖动自动控制系统：运动控制系统（第3版）.2003，1.
[3]坂本正文.步进电机应用技术.2010，5.