【正文】 H 橋和其他分立元件分配脈沖的驅(qū)動技術(shù)，該方案可實現(xiàn)步進電機的單拍、半拍、雙拍三種工作方式。本文采用控制電路主要由 AT89C51 單片機、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、液晶顯示電路組成，單片機是控制系統(tǒng)的核心。 關(guān)鍵詞：單片機；正弦脈寬調(diào)制；混合式步進電機；細(xì)分驅(qū)動 The Design of Stepper Motor Controller ABSTRACT In this paper, the working principle and configuration of threephase hybrid Stepper are introduced, then based on technologies such as stepper motor controller, PWM inverter and microcontroller. In the thesis, we develop a single chip puter based digital controlling system for a threephase hybrid stepper motor that is mainly constructed from a AT89C51 single chip puter and ST7920IC which is used as the core of control parts. The system39。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 即步距角 。因此可以 通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度，從而達到調(diào)速的目的。其中混合式步進電機兼有反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點，它的應(yīng)用越來越廣泛。因為速度和輸入脈沖的頻率成 正比，運轉(zhuǎn)速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。 （ 3）高可靠性： 不使用電刷，電機的壽命長，僅取決于軸承的壽命。 （ 5）中低速時具備高轉(zhuǎn)矩： 步進電機在中低速時具有較大的轉(zhuǎn)矩，能夠較同級伺服電機提供更大的扭力輸出。 不能直接使用普通的交直流電驅(qū)動，而必須使用專用設(shè)備 步進電機驅(qū)動器。 從應(yīng)用的角度來看，嚴(yán)重制約步進電機的兩個問題是失步和振蕩。有多種情況會產(chǎn)生失步，比如起動或停止頻率超過突跳頻率，電機高速運行的脈沖頻率超過了最大運行頻率，所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過了起動轉(zhuǎn)矩，共振等。步進電機的低 頻振蕩是另一個需要解決的問題。如果阻尼較小，這種運動是一個衰減的振蕩過程，轉(zhuǎn)子是按自由振蕩頻率振蕩幾次才衰減到新的平衡位置而停止下來。當(dāng)脈沖頻率等于或者接近于電機的自由振蕩頻率時電機會出現(xiàn)嚴(yán)重的低頻共振，甚至失步導(dǎo)致無法工作。 步進電機驅(qū)動系統(tǒng) 概述 步進電機的工作必須使用專用設(shè)備―步進電機驅(qū)動器。步進電機、驅(qū)動器和控制器構(gòu)成了不可分割的 3 大部分。當(dāng)電機和負(fù)載己經(jīng)確定之后，整個驅(qū)動系統(tǒng)的性能就完全取決于驅(qū)動控制方法。缺點是串接電阻將產(chǎn)生大量的熱，對驅(qū)動器的正常工作極其不利，尤其是在高頻工作時更加嚴(yán)重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)要求不高的步進電機驅(qū)動。這種方式由于電流波形得到了很大改善，電機的矩頻特性較好，起動和運行頻率得到了較大提高。 3 斬波恒流驅(qū)動：為了彌補高低壓驅(qū)動電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，人們研制出斬波電路，采用斬波技術(shù)使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動，流過繞組的有效電流相應(yīng)增加，故電機的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而斬波恒流驅(qū)動應(yīng)用相當(dāng)廣泛。因而系統(tǒng)效率、運行特性等都有了 明顯改善。這樣，繞組中的電流經(jīng)過若干個階梯上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降。由于繞組的電流變化幅度也大大減小，從而極大的改善步進電機運行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除振蕩。 課題研究的主要內(nèi)容 本課題以設(shè)計一套基于單片機和步進電機細(xì)分控制技術(shù)的步進電機驅(qū)動器為主要目標(biāo)，主要內(nèi)容有： 1 采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)、電流跟蹤技術(shù)和細(xì)分技術(shù)實現(xiàn)對電機相電流的控制，以克服傳統(tǒng)驅(qū)動技術(shù)下步進電機低速振動、存在共振現(xiàn)象、噪音大、高速轉(zhuǎn)矩小等缺點。 3 驅(qū)動器的采用分立元件組成單電壓驅(qū)動來驅(qū)動單極性步進電機用 H 橋驅(qū)動雙極性步進電機，因此只用一路電源，使系統(tǒng)設(shè)計極為簡化。采用了單排6 鍵的鍵盤、液晶顯示芯片 ST7920，該芯片能自動完成對顯示的刷新，自帶有中文字庫，使用非常方便。 2 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的方案論證 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)簡介 步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備―步進電機驅(qū)動器。典型的步進電機 驅(qū)動系統(tǒng)是由步進電機控制器、步進電機驅(qū)動器和步進電機本體三部分組成。步進電機轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低。通常，步進電機驅(qū)動器由邏輯控制電路、功率驅(qū)動電路、保護電路和電源組成?？刂齐?路輸出的信號功率很低，不能提供步進電機所需的輸出功率，必須進行功率放大，這就是步進電機驅(qū)動器的功率驅(qū)動部分。保護電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅(qū)動器和電機的運行。多數(shù)電機繞組都是連續(xù)的交流或直流供電，而步進電機各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是斷續(xù)的。繞組通電時，電流上升受到限制，因此影響電機繞組電流的大小。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。 4 電機運行時在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，這些電勢的方向和大小將對繞組電流產(chǎn)生很大的影響。 5 電機繞組中有電感電勢、互感電勢、旋轉(zhuǎn)電勢。當(dāng)其疊加結(jié)果使電機繞組兩端的電壓大大超過電源電壓時，使驅(qū)動器工作條件更為惡化。 所以，根據(jù)以上的特點，步進電機的驅(qū)動器必須要保證步進電機繞組有足夠的電壓、電流和正確的波形，而且同時要保證驅(qū)動器功率放大器件安全運行，還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗、較低的成本，這就要求選用合適的 功率器件合理設(shè)計線路?；旌鲜讲竭M電機的驅(qū)動技術(shù)在發(fā)展和成熟的過程中出現(xiàn)過各種各樣的驅(qū)動電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式。 雙極性驅(qū)動器與單極性驅(qū)動器 混合式步進電機要求雙極性供電，也就是要求電機勵磁繞組有時通 正向電流，有時通反向電流。將電機繞組采取雙線并繞，一相繞組分成二相，其中之二正向通電，另一則反向通電，這樣可單極性供電而達到正、反向勵磁的目的 圖 1 。而且電機引線過多，兩相電機需要六個引出端，三相電機需要 9 個引出端 ，五相電機則需要 15個引出端，使得單極性驅(qū)動器與三、五相電機之間連線太復(fù)雜，因此僅用于兩相混合式步進電機。對電機繞組雙向供電的典型結(jié)構(gòu)是 H 橋式電路，如圖 2 所示。 Dl， D2， D3 和 D4四個二極管組 成續(xù)流回路。電機的相數(shù)增多時， H 橋式電路需要功率管數(shù)多的缺點較為突出，例如五相電機就需要 20 只功率管。采用多相橋式電路時，電機相繞組間通常為星形或多邊形聯(lián)接，圖 3 是三相混合式步進電機繞組二種聯(lián)接的例子。如果想要獲得與 H 橋驅(qū)動相近的性能，則繞組的匝數(shù)應(yīng)減半或加倍相繞組的電壓。但由于二相繞組的電流同時流經(jīng)一個功率管，每個開關(guān)管的電流最大時約為相電流的二倍，即為 H 橋驅(qū)動或星型接法驅(qū)動時的二倍。當(dāng)電機高速運行時，流經(jīng)繞組的電流還未上升到額定電流就被關(guān)斷，相應(yīng)的平均電流減少而導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩下降。單電壓驅(qū)動電路的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單、元件少、成本低、可靠性高。所以這種電路一般僅適合于驅(qū)動小功率步進電機或?qū)Σ竭M電機運行性能要求不高的情況。為了解決這些問題，又產(chǎn)生了高低壓驅(qū)動電路。高低壓驅(qū)動的原理線路如圖 5 所示。其優(yōu)點是：功耗小，啟動轉(zhuǎn)矩大，高頻性能較好。 斬波恒流驅(qū)動 恒流斬波驅(qū)動控制技術(shù) 是目前步進電機控制的主流技術(shù)之一，斬波電路的出現(xiàn)是為了彌補高低壓驅(qū)動電路波形呈凹形的缺陷，使電機的輸出轉(zhuǎn)矩的平均值基本恒定。其電路結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。當(dāng)達到所需要的電流時，由于取樣電阻的反饋作用，使繞組電流基本恒定，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)電動機的輸出轉(zhuǎn)矩基本恒定。因此，為克服步進電機在高頻時牽出轉(zhuǎn)矩下降的問題，很多文獻提出了一些新的恒流斬波驅(qū)動設(shè)計。只有與單拍和雙拍運行時相對應(yīng)的兩種步距角。電流滯環(huán)型由于不需要三角載波環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)實現(xiàn)起來比較簡單。在實際的步進電機驅(qū)動電路中考慮到成本和驅(qū)動電路精度要求的問題 ，雙極性步進電機采用 H 橋驅(qū)動，