基于单片机的步进电机控制系统设计(2)

以实现步进电机的一般任务。该系统由三个部分组成：脉冲信号产生电路，脉冲信号分配电路，功率放大电路。系统组成如图2-1所示。

脉冲控制器环形分配器功率放大驱动电路步进电机 这个方案既可以开环控制也可以闭环控制。开环控制时，其稳定性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。闭环控制时，可实现高精度细分、无级调速。闭环控制是直接或间接转子位置和速度的检测，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，每一步的步进电机响应控制信号的命令，只要控制策略正确就不可能轻易出现步进电机失步[9]。该方案通过一些大规模集成电路控制输出脉冲的频率和脉冲数，功能比较简单，如需要改变控制方案，必须要重新设计，所以灵活性不高。 2.1.2 基于单片机的控制

利用单片机控制步进电机，实现了软件和硬件的结合。用软件代替环形分配器，是步进电机的最佳控制。系统采用单片机接口线直接控制各相步进电机的驱动电路。由于单片机的强大功能，还可设计一些外围电路，键盘作为外部中断源，步进电机的正转，反转，档次，停止等的一些功能，通过使用组合的中断以及查询调用中断服务程序的方法，步进电动机最佳的控制显示时间，正转和反转的速度等。环形分配器，它的功能是通过单片机的系统来实现脉冲分配软件编程方法。

该方案具有以下的一些优点：（1）单片机的软件编程能使麻烦的控制的过程实现自动控制和精确的控制，避免失步振荡，控制精度的影响；（2）用软件代替环形分配器，基于单芯片组，使用相同的电路实现多相步进电机控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性；（3）单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路结合在一起，大大提高了系统的交互性能[10]。 2.2 步进电机驱动的技术

步进电机的单电压驱动是通过改变电路时间常数来提高电机的高频特性。这种驱动技术在六十年代早期就都得到了广泛的应用，它具有结构简单，成本低的优点；缺点是串联连接的电阻会产生大量的能量损失，特别是在高频率操作时更严重，所以仅适用于小功率或性能要求不高的步进电机驱动。单电压串联电阻驱动是基于单电压绕组电路串联电阻的电压驱动技术，用于提高常数的电路，提高了电机高频特性的时间。它也优化了步进电机的响应频率，减少电机的共振，也带来了巨大的损失，效率低。这个驱动器现阶段主要被应用在小功率或着启动操作频率要求不是很高的场合。

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图2-1 基于电子电路控制系统

基于单片机的步进电机控制系统设计

步进电机中高低压驱动指的是不管电机工作的频率是多少，导通相前沿的电流上升沿的斜率是通过高压供电的方式来提高的，之后的绕组电流是用低电压方式来维持的，就是通过增加绕组电流注入量来增加的出力，而不是不断改变时间的常数来改善电路转矩变频性能。但使用这种驱动的方式的电动机，它的绕组电流的波形会在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈现凹形，使电机的输出力矩有一定的下降。该驱动器在实际应用中还是比较常见的。

3 步进电机驱动控制技术

在混合式步进电机的特点及工作原理的基础上，本章对步进电机驱动和控制步进电机的技术进行了详细的分析和比较。首先介绍了传统的驱动方式：单电压驱动（包括单电压串联电阻驱动），双电压驱动（包括高和低电压驱动）和恒流斩波器的优缺点及原理，然后重点介绍了细分驱动模式和原则。 3．1步进电动机的驱动概述 3.1.1一般驱动系统的组成结构

步进电机与直流电机、交流电机是不一样的，它不能直接接到交直流电源上，但必须使用专用设备——步进电机驱动器。步进电机驱动系统的性能和运动性能，除了本身之外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。因此，对步进电动机驱动器的研究几乎是对步进电动机的研究同步进行的。

步进电机驱动的主要组成如图3-1所示，一般由环形分配器，信号处理阶段，驱动阶段等，对功率步进电机驱动程序也需要各种保护电路。

图3-1 步进电动机驱动器构成

信号放大与处理 环形分配推动级 驱动级 保护 环形分配器接受来自控制器的CP脉冲，并且要按照步进电机状态转换表要求生产各阶段的信号打开或关闭。每来一个CP脉冲，环形分配器的输出就转换一次。同时，环形分配器也必须要接受控制器的方向信号，它决定了状态转换和输出是正向或逆向顺序转换，决定了步进电机的转向。因此，步进电机的旋转速度，加速或减速，启动或停止都取决于CP脉冲的有无或频率的高低。

信号放大与处理的作用就是放大环分输出信号，成为足够大的信号被送入相应推动级。

信号的处理具有一些变换和合成的功能，能产生斩波，抑制等某些特殊功能信号，

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从而可以产生具有特殊的功能的驱动。信号的处理还要经常的与一些保护电路以及控制电路相组合，形成一些具有相对性能比较高的驱动的输出。

推动级将小信号放大，成为强大到能够推动某些驱动级的大信号。有时候，推动级也承担电平转换功能。

保护级的作用就是保护驱动级的安全[11]。一般可以根据需要设置过电流保护，过热保护，过压保护，欠压保护等。 3.1.2驱动器的特点

为了满足步进电机输出的各种需求，驱动级必须提供足够电压和电流的电机绕组，但步进电机和一般电子设备的驱动是有很多不同的，这主要表现在：

（1）所有绕组都是开关工作，电机的绕组绝大部分是连续的交流或直流，但是步进电机的绕组是脉冲电源使绕组电流不连续。

（2）电机每相绕组线圈绕在铁芯上，所以都有较大电感。电流上升率限制绕组通电，因此影响了电机绕组电流的大小。

（3）绕组断点的时候，电感储能维持目前已经有的电流不能发生突变，导致电流截止相不能立即停止。为了使电流尽快截止，必须正确地设计续流回落。绕组的导通和截止具有强大的反电势，截止时，驱动级器件的安全将受到反电势的有害影响。

（4）电动机运行时各相绕组中产生旋转电动势，这些电势的大小和方向都会对绕组电流产生大的影响。由于旋转电势与电机速度基本成正比，速度越高，电势越大，绕组的电流越小，使电机的输出转矩随着发动机转速的增加而下降。驱动级线路，既要保证绕组的电流电压足够充分和波形的准确，又要确保功率放大装置安全运行，此外，还应确保效率高，功耗低，成本低。这必须设计合理路线，合适的功率器件的选型。

驱动级的功率放大器包括功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅、可关断可控硅、场效应功率管、双极型晶体管和场效应功率管的复合管和各种电源模块等。

步进电机驱动器使用一个电压驱动（包括单电压串联电阻驱动），双电压驱动（包括高和低电压驱动），斩波恒流驱动和细分驱动等。下面的工作原理是两种驱动方式的介绍和优缺点。将在后面详细说明细分驱动方式。 3.2 步进电动机驱动技术分析 3.2.1 单电压驱动

单电压驱动是指在工作过程中电机绕组，只有一个方向缠绕电源电压。示意图如图3-2所示，前面推动级输出信号In作用于三极管的基级，一相绕组的集电极连接电机，另一端绕组直接连接电源电压。因此，当三极管导通时，电源电压全部作用在电机绕组上。综上所述，单电压驱动具有以下特点：电路简单，成本低，良好的低频响应；共振，高频率时，负载能力迅速下降。

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基于单片机的步进电机控制系统设计

+U +ULDLLRh1E-R-E (a)单元线路（b）导通时（c）截止时 图3-2 单电压驱动的原理图

+U L+U DLRLRh1E+-E+- 图3-3 单电压串电阻驱动 单电压驱动的致命弱点是线圈绕组导通的时候回路电气时间常数?较大，导致导通时电流在绕阻上升速度较慢，导致导通脉冲宽度T接近?时绕组电流迅速下降。因为?=L/R，因此减少电气时间常数?方法是减小绕阻电感L或增加绕组回路电阻R。对已经确定了的步进电机，绕阻电感也已经确定。因此在电路中只能用增加回路电阻的方法。单电压串联电阻驱动，示意图如图3-3所示。单电压串联电阻驱动的主要缺点是效率低、损耗大。与单电压驱动相比，导电铜损为i2R，串联电阻后的导通铜损为i2(R+RS)，所以电源提供大部分消耗在串联电阻上。 3.2.2双电压驱动

双电压驱动的基本思想是在低频段用较低的电压驱动，在高频段用较高的电压驱动，电路如图3-4所示。电源直接供电，直接接到由大功率管TH和二极管DL组成的电源转换开关上。当关闭TH时，低电压供电，当打开TH时，高电压供电，DL在反向截止状态时，自动停止供电的低电压电源。

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UH IHTHRsLILTLiILIHUH DLTHRsLILTLTLDLDULRsLiUL 高电压工作低电压工作 图3-4 双电压驱动的原理图

高压驱动电路如图3-5所示，初一看，似乎与双电压之间的差异不大，但实际工作过程是不同的。如图所示，是每个阶段的单元电路。主回路由高压管、电机绕组、低压管串联而成。高压管加高电压，低压管加低电压，电机绕组线圈不能串联电阻。每个阶段的传导过程中，低压管的输入信号和高压管输入信号如图3-6所示。当低压管输入信号为高电平，该相导通；当低压管输入电平为低电平，该相截止。高压管的输入信号是由低压管输入信号的前沿信号获得的，高压管输入信号前沿与低压管输入信号同步。但脉冲宽度要小得多，高、低电压驱动可以确保在很宽的频带内保证相绕组的平均电流较大，在截止时可以快速释放，因此能产生较大的并且较稳定的电磁转矩，使驱动系统能够获得较高的响应。

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图3-5 高低压驱动的原理图

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图3-6 高低压管输入信号

4系统的硬件设计

4.1系统设计方案

4.1.1系统的方案简述与设计要求

本设计采用单片机AT89S51来作为整个步进电机控制系统的运动控制核心部件，采

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