细分步进电机控制电路硬件设计
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究意义及背景 1
1.2 国内外发展水平及趋向 2
1.3 本课题的研究内容 5
2 步进电机的特点及工作原理 5
2.1 步进电动机的特点 5
2.2 步进电动机的工作原理 6
2.3 步进电动机的失步和震荡 7
3 步进电动机的细分控制理论 7
3.1 细分驱动概述 7
3.2 两相混合式步进电机细分驱动控制理论 9
4 两相混合式步进电机的设计 11
4.1 总体的方案设计 11
4.2 单片机控制电路设计 12
4.3 硬件电路设计 14
4.4 调试程序设计 18
结论 22
致谢 23
参考文献 24
附录：硬件电路图 25
1 绪论
1.1 课题的研究意义及背景
步进电机是数字化执行元器件，与其他的电机相比具有控制精度高，无积累误差等一系列优越性能，被普遍应用于自动化产业、机器装配及军事领域中[1]。但由于受制造工艺的影响，很多厂家生产的步进电机步进存在步距角大，低频振动和高频损耗的缺点。步进电机的细分驱动技术是一种可以显著减少步进电机步距角，提高步进电机运转精度及平稳性，增加其控制方式的灵活性的技术，被广泛用于高精度定位，自动瞄准，自动记录等领域[2]。因此，研发出性能高的电机驱动控制器不但有很大的经济价值而且对电机性能的发展有促进作用[3]。
1．2 国内外发展水平及趋向
1.2.1 驱动电源的演变和我国研究现状
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电机驱动电源的好与坏能够直接影响到电机的工作特性。下面对电源功率放大元器件选择和驱动电路部分来讨论[4]。
(1)电源功放的元器件选择
最先使用的电子元器件就是可控硅来驱动末级放大电路。可控硅属于电脉冲刺激开关装置，具有输入功率小输出功率大，价格低廉等优势[5]。
以前科学技术水平较低，国内的专用驱动晶体管寥寥无几，选择可控硅成为一种潮流。可控硅的应用也有很多的缺陷比如：想让它停止很困难、电路及接线繁琐、出现错误概率比较高、不稳定。随着科技的发展与进步，强功率的晶闸管被发明出来代替原来的可控硅[6]。
晶闸管的发明对于一些功率放大驱动电路起了很大的作用，应用在很多电路。晶闸管具有很多优点例如：操控简单、电路测量简便、开关反应时间短、对元器件的消损小[7]。现在晶闸管被用在很多电路里面，是时代发展的潮流之一[8]。
当前，技术最先进的一种驱动是利用 。它的优势如下：承受压力能力特别强、驱动功率很大，能使电路获得很大的增益。只是目前对它的研究还处于朦胧阶段，在不久的将来会成为时代的主流[9]。
(2)驱动电路发展
不同的功放驱动对电机的性能作用有很大区别，而造成这种区别的最重要的原因是功放驱动中的输出构造不同[10]。
单电压驱动在早些时候被广泛运用，因为其构造简单、价格低廉，而且还可以在电路中串联电阻，来提升电机的高频性能 [11]。缺点是如果在电路中加电阻就会产生很多热量，对电路造成很大的消损 [12]，而且对驱动运转有一定的障碍，特别是电机运行到高频段，所以单电压驱动电路经常被应用在不设定旋转频率的电路 [13]。
随着时代的进步和科学技术的发展，对步进电机的性能设定越来越严格就出现了高低压驱动控制。这种驱动控制的原理是以增大输入电流来增大功率[14]。这种驱动的特点是电流的开始和旋转频率有了很大的改善。电源的消损很小是因为在电机绕组里面接入了几个阻值不大的电阻[15]。电流在示波器显示的波形会变成“凹”样，原因是当电机在高低压转换时，电机中有运转的反应电动势及电机相电流的互相感应，这样就会使电动机的流出力距减少[16]。
随着斩波电路的出现，弥补了高低压电路处于相接点显示器是凹样的图形输出的缺点，并且增加了电机的流出转距[17]。本文用的就是斩波原理。能够让相绕组一直处于设定值附近出现锯齿波。电机的流出转距提高要在一定程度上维持在稳定值就可以加强电机的可用电流[18]。不用和其它的电阻相连，同时有一个非常小的采样电阻，所以全部电路的消损很低，从而提升电源的有效使用率。斩波技术现在已经发展到了高速阶段并且被运用到各行业[19]。
细分驱动技术是70年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动技术，细分驱动方式对步进电机的要求很高，每相绕组都必须处于绝对的对称状态，而且矩角的曲线是基于正弦曲线。它的工作原理是利用改变电机每一相的电流值所占百分比，使步矩角降为之前的N分之一。事实上存在一些因素使得电机在细分以后也并不能改善电机的步矩角比如误差。细分驱动还有很多优点的例如提高电机运转的稳定性，使电机旋转速度保持在同一个值；还能缓解振荡。随着微处理器行业的飞速进步，使得细分驱动的使用也越来越多，包括一些高端电路的设计[20]。
1.2.2 国外研究水平简介
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步进电机及其驱动器技术比我们国内的要先进一些，他们的研究起点高、人才多、还有各种机制支持使得外国的技术水平领先一筹。目前所研究的成果是将步进电机的驱动以及控制通过芯片来实现[21]。当然目前发展并不算很成熟，有的还处于研发初期阶段。为步进电机专门制作的芯片加入系统电路中可以带来很多好处，比如：驱动器自身可利用资源的增加，导致电机的性能提高了一个档次。有两种专用的IC比较实用[22]。一种IC是通过硬件电路和软件相结合达到电机调速的功能，还有能够使电机改变方向等。这种IC被限制在开环电机的电路。只要调速范围处于正常值以内就能让电机处于旋转频率很大还不会让电机出现失步的现象[23]。
还有一种IC就是为了让细分驱动技术得以简单实现。东芝集团研制的TA774H芯片便属于这类IC。它本身就可以实现斩波操控以及细分的作用。现在的技术还没有突破对IC的抗压以及电流体积的局限性。所以IC现在广泛应用在一些对功率要求不高的电机驱动系统中[24]。
国外的技术确实比国内技术要发达一些，有很多技术在我们这里还不能解锁。比较符合我国的技术就是把一些独立元器件结合集成得到功能和性价比很高的驱动控制器[25]。
1.2.3 步进电机控制方式概述
（1）基于电子电路的控制
电子元器件能够产生脉冲信号。这种信号经过元器件发出并调配、扩大后能够达到控制步进电机的作用[26]。
这种控制系统是由PLC控制器、环形分配器以及功率驱动电路组成。PLC由编程产生一定的脉冲波形以及所需的脉冲频率来控制电机。而环形分配器是负责把脉冲分配给相应的电机绕组。功率放大电路是将 的脉冲放大到足够使电机正常运行[30]。
（3）单片机控制步进电机
使用单片机来控制步进电机系统是最普遍的方法。因为步进电机本质就属于离散型的执行元器件，所以非常适用于单片机控制系统。基于单片机优秀的敏捷性使一些繁琐的控制系统得以简便实现。现如今随着微处理器技术的迅猛提升会使单片机控制步进电机成为时代潮流，并且单片机的性价比是非常高的。本文就是利用单片机控制步进电机系统来实现任务要求的[31]。
1 绪论 1
1.1 课题的研究意义及背景 1
1.2 国内外发展水平及趋向 2
1.3 本课题的研究内容 5
2 步进电机的特点及工作原理 5
2.1 步进电动机的特点 5
2.2 步进电动机的工作原理 6
2.3 步进电动机的失步和震荡 7
3 步进电动机的细分控制理论 7
3.1 细分驱动概述 7
3.2 两相混合式步进电机细分驱动控制理论 9
4 两相混合式步进电机的设计 11
4.1 总体的方案设计 11
4.2 单片机控制电路设计 12
4.3 硬件电路设计 14
4.4 调试程序设计 18
结论 22
致谢 23
参考文献 24
附录：硬件电路图 25
1 绪论
1.1 课题的研究意义及背景
步进电机是数字化执行元器件，与其他的电机相比具有控制精度高，无积累误差等一系列优越性能，被普遍应用于自动化产业、机器装配及军事领域中[1]。但由于受制造工艺的影响，很多厂家生产的步进电机步进存在步距角大，低频振动和高频损耗的缺点。步进电机的细分驱动技术是一种可以显著减少步进电机步距角，提高步进电机运转精度及平稳性，增加其控制方式的灵活性的技术，被广泛用于高精度定位，自动瞄准，自动记录等领域[2]。因此，研发出性能高的电机驱动控制器不但有很大的经济价值而且对电机性能的发展有促进作用[3]。
1．2 国内外发展水平及趋向
1.2.1 驱动电源的演变和我国研究现状
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电机驱动电源的好与坏能够直接影响到电机的工作特性。下面对电源功率放大元器件选择和驱动电路部分来讨论[4]。
(1)电源功放的元器件选择
最先使用的电子元器件就是可控硅来驱动末级放大电路。可控硅属于电脉冲刺激开关装置，具有输入功率小输出功率大，价格低廉等优势[5]。
以前科学技术水平较低，国内的专用驱动晶体管寥寥无几，选择可控硅成为一种潮流。可控硅的应用也有很多的缺陷比如：想让它停止很困难、电路及接线繁琐、出现错误概率比较高、不稳定。随着科技的发展与进步，强功率的晶闸管被发明出来代替原来的可控硅[6]。
晶闸管的发明对于一些功率放大驱动电路起了很大的作用，应用在很多电路。晶闸管具有很多优点例如：操控简单、电路测量简便、开关反应时间短、对元器件的消损小[7]。现在晶闸管被用在很多电路里面，是时代发展的潮流之一[8]。
当前，技术最先进的一种驱动是利用 。它的优势如下：承受压力能力特别强、驱动功率很大，能使电路获得很大的增益。只是目前对它的研究还处于朦胧阶段，在不久的将来会成为时代的主流[9]。
(2)驱动电路发展
不同的功放驱动对电机的性能作用有很大区别，而造成这种区别的最重要的原因是功放驱动中的输出构造不同[10]。
单电压驱动在早些时候被广泛运用，因为其构造简单、价格低廉，而且还可以在电路中串联电阻，来提升电机的高频性能 [11]。缺点是如果在电路中加电阻就会产生很多热量，对电路造成很大的消损 [12]，而且对驱动运转有一定的障碍，特别是电机运行到高频段，所以单电压驱动电路经常被应用在不设定旋转频率的电路 [13]。
随着时代的进步和科学技术的发展，对步进电机的性能设定越来越严格就出现了高低压驱动控制。这种驱动控制的原理是以增大输入电流来增大功率[14]。这种驱动的特点是电流的开始和旋转频率有了很大的改善。电源的消损很小是因为在电机绕组里面接入了几个阻值不大的电阻[15]。电流在示波器显示的波形会变成“凹”样，原因是当电机在高低压转换时，电机中有运转的反应电动势及电机相电流的互相感应，这样就会使电动机的流出力距减少[16]。
随着斩波电路的出现，弥补了高低压电路处于相接点显示器是凹样的图形输出的缺点，并且增加了电机的流出转距[17]。本文用的就是斩波原理。能够让相绕组一直处于设定值附近出现锯齿波。电机的流出转距提高要在一定程度上维持在稳定值就可以加强电机的可用电流[18]。不用和其它的电阻相连，同时有一个非常小的采样电阻，所以全部电路的消损很低，从而提升电源的有效使用率。斩波技术现在已经发展到了高速阶段并且被运用到各行业[19]。
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国外的技术确实比国内技术要发达一些，有很多技术在我们这里还不能解锁。比较符合我国的技术就是把一些独立元器件结合集成得到功能和性价比很高的驱动控制器[25]。
1.2.3 步进电机控制方式概述
（1）基于电子电路的控制
电子元器件能够产生脉冲信号。这种信号经过元器件发出并调配、扩大后能够达到控制步进电机的作用[26]。
这种控制系统是由PLC控制器、环形分配器以及功率驱动电路组成。PLC由编程产生一定的脉冲波形以及所需的脉冲频率来控制电机。而环形分配器是负责把脉冲分配给相应的电机绕组。功率放大电路是将 的脉冲放大到足够使电机正常运行[30]。
（3）单片机控制步进电机
使用单片机来控制步进电机系统是最普遍的方法。因为步进电机本质就属于离散型的执行元器件，所以非常适用于单片机控制系统。基于单片机优秀的敏捷性使一些繁琐的控制系统得以简便实现。现如今随着微处理器技术的迅猛提升会使单片机控制步进电机成为时代潮流，并且单片机的性价比是非常高的。本文就是利用单片机控制步进电机系统来实现任务要求的[31]。
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