简论单片机单片机在步进电机细分驱动系统运用站

论文导读：
摘要：步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高电机运行的平稳性，减小或消除步进电动机的低频振荡，降低噪声，显著改善其动态性能，增加控制的灵活性等，从而满足某些高精密定位、精密加工等方面的要求。本文主要探讨单片机在步进电机细分驱动系统中的应用。
关键词：单片机 步进电机 细分驱动 控制
细分驱动是能够有效改善步进电机上述缺陷的技术，与常规的步进电机驱动电路的主要不同在于环形分配器：对每相脉冲按照一定的要求进行细分。目前广泛应用的以计数器源于：科研方法与论文写作www.7ctime.com
和EPROM构成的细分驱动器有数据位宽的限制，当相数上升和细分数加大时，环分器的复杂性大大增加。对于利用单片机实现细分驱动的细分驱动器，由于单片机是一种非并行执行的器件，各信一号的同步受到一定影响，而且是一种软件模式，可靠性不高，易产生失步。步进电机的性能在很大程度上取决于所用的驱动器，改善驱动器的性能，可以显著地提高步进电机的性能。
1步进电机的细分技术
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，通俗一点讲，当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时，可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。按结构步进电机可分3种：永磁式（PM）、反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5°或15°。反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为，但噪声和振动都很大，在发达国家早已被淘汰。混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相和五相：两相步进角一般为

1.8°而五相步进角一般为0.72°，这种步进电机的应用最为广泛。

步进电机的步距 （Zr为齿数，N为拍数），由于受制作工艺的限制齿数不能做得很多，因此步进电机的步距角就不可能很小， 而带来步进时存在明显的脉振不能精密移位的问题。
2步距细分的系统构成
步进电机细分驱动电路系统是由PWM计数器、波形ROM地址计数器、PWM波形ROM存储器、比较器、功放电路等组成。其中，PWM计数器在脉冲时钟作用下递增计数，产生阶梯上升的周期性锯齿波，同时加载到各数字比较器的另一端；PWM波形ROM输出的数据A[3..0]， B[3..0]， C[3..0]，D [3. . 0]分别加载到各数字比较器的另一端。当PWM计数器的计数值小于波形ROM输出值时，比较器输出低电平；当PWM计数器值大于波形ROM输出值时，比较器输出高电平。由此可输出周期性的PWM波形。根据步进电机八分细分电流的要求，将各个时刻细分电流波形的要求，将各个时刻细分电流波形所对应的数值存放于波形ROM中，波形ROM的地址由地址计数器产生。通过对地址计数器进行控制，可以改变步进电机的旋转方向、转动速度、工作/停止状态。FPGA产生的PWM信号控制各功率管驱动电路的导通和关断，其中PWM信号随ROM数据而变化，改变输出信号的占空比，达到限流及细分控制，最终使电机绕组呈现阶梯形变化，从而实现步距细分的目的。
3基于单片机的步进电机细分驱动系统总体实现
本设计中，FPGA主要承担产生电机的四相驱动信号、控制转速、转向功能。单片机主要计算分析ADC0809采集到的细分数、转速、转向等信息，并在液晶屏上显示，可让操作人员方便直观地了解系统状态，当系统出现电压或电流异常，控制声光报警系统进行报警。

3.1硬件构成

本控制系统以AT89C2051单片机为核心。结合步进电动机双极性驱动芯片NJM3777驱动步进电动机，且通过一个双7bit数/模转换器NJU39612分别调制对应于NJM3777上的参考电压VR，即组成了步进电机细分驱动控制系统。NJM3777实现恒流斩波控制是由开关方式获得的：绕组电流流过传感电阻RS，电流反馈电压信号送至比较器，比较器的另一个输入是参考电压VR，当反馈电压达到参考电压VR值时，比较器输出翻转重置RS触发器，关闭高侧输出晶体管。输出电流衰减，直至下一个时钟脉冲的到来，使触发器翻转，输出晶体管重新导通，每个周期这样重复，维持输出平均电流在一个恒定值上。N论文导读：改善低频振荡。结论上述步进电机的细分驱动技术，根据电流矢量恒幅均匀旋转原理确立了基于单片机控制的细分驱动模式，本文针对超高精密定位和数控加工等场合对步进电动机提出的精确控制要求，设计出一种构造简单、成本低、集成度高、运行稳定可靠的细分驱动控制系统。参考文献：程志国，王新洪.步进电动机系统细
JM3777在不增加任何扩流器件时，可直接驱动步距角0.9/1.8°，驱动电压+24 V，脉冲相电流800 mA以下的两相混合式步进电机（例如BYG4501型等），以此构成的控制系统极为简单，具有较高的性价比。

3.2单片机软件设计

单片机软件包括主程序和中断子程序。主程序对系统进行必要的初始化，获得用户设定输入，包括运行模式设定（正/反转）以及预置数（细分次数、运行速度等）设定，根据不同的运行模式调用相应的子程序，开相应的中断。在系统上电初始化完毕后，除非出现电机故障，否则系统一直等待中断，若产生中断，则程序就转去执行相应的中断服务程序对电机的控制主要是在中断子程序中进行的。
在细分电流的驱动下，线性电流的驱动下，步进电机转子的微步进是不均匀的，呈现出明显的周期性波动。磁场的边界条件按齿槽情况呈周期性重复是导致步距角周期性变化的根本原因。同时，不可避免的摩擦负载以及其他负载力矩的波动导致失调角出现不规则的小变动或小跳跃，也使微步距曲线在周期性波动上出现不光滑的小锯齿形。步进电机的电流矩角特性并非线性函数，而是近似于正弦函数。若使电流按线性规律上升或下降，必然会造成每一细分步的步距角不均匀，从而影响步距精度。为此在设计中，需要提高LPM_ROM数据精度，将数据提高到16位，使输出的步进细分电流近似为正弦电流，这样不仅提高了步距精度，而且可以改善低频振荡。
结论
上述步进电机的细分驱动技术，根据电流矢量恒幅均匀旋转原理确立了基于单片机控制的细分驱动模式，本文针对超高精密定位和数控加工等场合对步进电动机提出的精确控制要求，设计出一种构造简单、成本低、集成度高、运行稳定可靠的细分驱动控制系统。
参考文献：
程志国，王新洪. 步进电动机系统细分波形修正技术[J]. 微电机，2005，38（5）：25-27.
陆广平，张美琪，沈加庆. 基于R单片机的步进电机运动控制系统设计[J]. 微电机，2010，Vol.3 （3）：92-94.
[3]袁帅，甘靖. 基于FPGA的步进电机细分驱动技术研究[J]. 湖南理工学院学报（自然科学版）.2010，Vol.3 （1）：62-64.