單片機控制的步進電機恒流斬波細分驅動系統(tǒng)盂秀芝s王宗省s謝風芹趙平原3，任惠英4（1.山東科技大學機電學院，山東泰安271019；2.山東科技大學動力控制工程學院，山東濟南250031；3.泰山索道公司，山東泰安271000：4.兗州礦業(yè)集團機電設備制造廠，山東鄒城273500）單片機控制的步進電機恒流斬波細分驅動電路，并對其功能及特點進行了系統(tǒng)的闡述。

　　步進電機是把脈沖信號轉換成角位移或直線位移的執(zhí)行元件，是一種輸出與輸人數字脈沖相對應的增量驅動元件。具有定位精度高、慣性小、無積累誤差、啟動性能好、易于控制、價格低廉及與計算機接口方便等優(yōu)點，被廣泛應用于數控系統(tǒng)中。計算機技術的發(fā)展，促進了數字控制技術的發(fā)展，使步進電機的驅動系統(tǒng)從主要由硬件控制到軟硬結合的控制，彌補了步進電機控制的一些缺點，如低頻振動、高頻失步等，提高了步進電機的性能，如減小了步距角，提高了運行精度，使步進電機的應用更加廣泛，控制更加靈活。細分驅動減小了步距角，提高了步進電機的運轉精度，減小了低頻振動、高頻失步現象。本系統(tǒng)采用恒流斬波與細分相結合的驅動方法，其特點如下：采用“完全開關”式，使功率晶閘管工作在完全飽和與截止兩種狀態(tài)，降低功耗；靈活性細分，可選擇非細分、固定細分和可變細分，細分數可在0~255之間選擇；細分單獨采用一片微處理器，提高了處理速度。

　　1步進電機的細分基本原理步進電機的驅動是給各相勵磁繞組輪流通以電流，從而形成勵磁場合成方向的變化來使步進電機轉動，即改變一次通電狀態(tài)，轉子轉過一個步距角。該步距角的計算公式為：其中：a代表接人繞組的線路狀態(tài)數，W代表電動機的相數，乙代表轉子齒數。由此可見，步進電機一旦制造出來，其相數與轉子齒數將為定值，要想減小步距角，以達到細分的目的，用戶能改變的只有a.在無細分的步進電機驅動系統(tǒng)中，通過各相繞組的電流幅值是不變化的，僅在各相通電狀態(tài)變化時，a值才相應地變化。如對于三相步進電機來說，單三拍或雙三拍運行時，a=1；單雙六拍運行時，a=2.如果要想增大a，必須使繞組'中的電流按階梯上升和下降，即在零與最大相電流之間有多個穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)。所示為三相六拍四細分時各相電流波形，各相電流均以最大電流值的1/4上升和下降。與單雙六拍方式相比，a值從2增加到8，步距角變?yōu)槿嗔倪\行方式時的1/4.所以步進電機細分驅動的關鍵在于控制電機各相勵磁繞組中的電流大小及其穩(wěn)定性。

　　2系統(tǒng)硬件電路及特點本系統(tǒng)電路如所示，主要分為三部分：細分、功率放大、基準電源。

　　細分驅動原理圖細分部分專用一片微處理器來處理。對于微處理器的選用，采用比較常用的89C51，不用擴展ROM和RAM，簡化了電路，降低了成本。上位機主要是進行插補運算、手動控制、與計算機通訊及發(fā)送脈沖、選擇步進電機方向、片選步進電機信號、送細分數及根據速度進行可變細分控制。細分微處理器主要功能是通過與上位機通訊，根據送來的細分數來進行查表，完成環(huán)形分配器的功能，將傳統(tǒng)電路中的硬件軟化，其作用是根據需要通過軟件控制，靈活產生所需的細分階梯電流波形，靈活地實現多種細分。

　　2.2功率放大部分本系統(tǒng)采用恒流斬波驅動。對于功放管的選用，采用開關頻率較高的場效應管，提高系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的恒流斬波驅動電路中，往往不能使功放管工作在完全飽和、截止狀態(tài)，增加了功放管上的功耗，發(fā)熱嚴重，降低了功放管的壽命，若功放管被熱擊穿，將使電路不能正常工作。另外，在以往電路中，細分下降沿與上升沿一樣，使功放管乃工作在斬波狀態(tài)，而功放管T2―直工作在導通狀態(tài)，由于繞組中的電流下降速度慢，往往造成在下降沿實現不了細分。為了解決以上兩個問題，采取了如下措施：改進電路，使功放管和功放管T2工作在完全開關狀態(tài)，即工作在完全飽和、截止狀態(tài)；使和T2工作在相同的方式下，同時開通，同時截止，提高了繞組中的電流下降速度，更好地實現下降沿的細分，提高了系統(tǒng)的效率。

　　2.3基準電壓由于DAC0832采用單極性輸出，故選用專用集成電壓轉換芯片，將正電壓轉換成-5V電壓，提高DAC0832的基準電壓的穩(wěn)定性，然后通過電位器將DAC0832的輸出電壓調到實際所需的電壓值，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。

　　3系統(tǒng)軟件功能及特點采用MCS-51匯編語言編寫，細分微處理器采用中斷的方式從上位機接收走步脈沖，其中斷程序流程圖如所示。

　　在主程序中，先是開機對該微機所控制的電機進行初始化，即給A相繞組通階梯電流，避免了電機在正常運轉時A相由于電流從零突變到最中斷程序流程圖大值而造成的沖擊，隨后是等待中斷。

　　在中斷程序中，先將細分電流值預先存儲在細分微處理器的ROM中，通過與上位機進行通訊，確定細分數，根據細分數跳轉到相應的子程序中，再判斷電機的轉向，使用查表法完成數據的分配輸出。