單片機控制的步進電機恒流斬波細分驅(qū)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(shè)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(qū)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(zhuǎn)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(shù)字脈沖相對應的增量驅(qū)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(shù)控系統(tǒng)中。計算機技術(shù)的發(fā)展，促進了數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，使步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)從主要由硬件控制到軟硬結(jié)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(qū)動減小了步距角，提高了步進電機的運轉(zhuǎn)精度，減小了低頻振動、高頻失步現(xiàn)象。本系統(tǒng)采用恒流斬波與細分相結(jié)合的驅(qū)動方法，其特點如下：采用“完全開關(guān)”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(shù)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(qū)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(zhuǎn)動，即改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(shù)，W代表電動機的相數(shù)，乙代表轉(zhuǎn)子齒數(shù)。由此可見，步進電機一旦制造出來，其相數(shù)與轉(zhuǎn)子齒數(shù)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(qū)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(qū)動的關(guān)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(qū)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(shù)及根據(jù)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(jù)送來的細分數(shù)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(jù)需要通過軟件控制，靈活產(chǎn)生所需的細分階梯電流波形，靈活地實現(xiàn)多種細分。

　　2.2功率放大部分本系統(tǒng)采用恒流斬波驅(qū)動。對于功放管的選用，采用開關(guān)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(qū)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(xiàn)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(guān)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(xiàn)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(zhuǎn)換芯片，將正電壓轉(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)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(shù)，根據(jù)細分數(shù)跳轉(zhuǎn)到相應的子程序中，再判斷電機的轉(zhuǎn)向，使用查表法完成數(shù)據(jù)的分配輸出。