基于单片机步进电机驱动控制系统设计及实现

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1、基于单片机步进电机驱动控制系统设计及实现【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

2、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

3、，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。(1)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，每个大齿上铳有若干小齿。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°o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。1.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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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(iAcos&-iBsin9)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二IcosaiB=Isina其中角度a为电机轴预置位置的电角度。则电磁转矩可改写为Te=pImMIsin(a-0