步进电机驱动器的设计Word格式.docx
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1.3国内外相关领域研究现状6
1.4课题研究的目的7
第2章两相混合步进电机驱动器的整体设计方案8
2.1驱动器系统功能需求9
2.2驱动器系统硬件构架10
2.3两相混合步进电机驱动器软件系统构架10
第3章两相混合步进电机驱动器的硬件构成12
3.1单片机最小系统设计12
3.2电源处理电路设计13
3.3保护电路设计14
3.4主驱动电路设计14
3.5OC门与光电隔离电路16
第4章两相混合步进电机驱动器的软件设计17
4.1系统初始化及主流程17
4.2占空比寄存器18
4.3定时器PWM输出配置19
第5章关键技术处理20
5.1解决超调与功率管发热问题的PWM机制优化处理方法20
5.2电机驱动器可扩展处理技术20
第6章结论22
参考文献23
致谢24
随猎微电子技术、计算机技术以及控制技术的不断发展，式步进电机的驱动技术的发展越来越快，步进电机的应用需求越来越大。
步进电机不能直接接入电源进行工作，它必须使用专用设备进行驱动，因此.步进电机的运行性能除了受本身性能的影响外，很大程度上还取决于其驭动器的好坏。
目前市场上的步进电机驱动器基本都是单电机的驱动器。
即一个驱动器只能驱动一个步进电机，这样对于需要应用多台步进电机的场合.必须购买多台驱动器，这样无疑加大了生产成本和产品的空间体积。
因此，对于步进电机控制系统而言，开发一套新型的能满足多路输出的高精度高稳定性步进电机驱动器器具有极其重要意义。
关健词:
步进电机；
单片机；
可扩展性
第1章绪论
随着运动控制系统中数字化技术的发展与成熟，步进电机在工业自动化控制中得到了广泛的应用.步进电机是一种完成数字信号模拟信号转换的执行元件，它区别于其他控制用途电动机的最大特点是:
能接收数字控制信号（电脉冲信号），并将这些脉冲信号转换成与之相对应的角位移或直线位移.步进电机必须与相应的驱动电路配合使用，其工作性能在很大程度上取决于所使用的驱动电路的类型和实际参数，因此，步进电机驱动电路的设计是步进电机控制系统中的关键.众所周知:
电动机的各相绕组之间、定转子之间存在一定的强祸合，电磁关系也有较严重的非线性，但就其本质而言，对I台步进电机的控制，就是按一定的相序向其相线圈提供驱动信号，同时对各相电流进行控制，从而产生必要的转矩以驱动电机旋转.本文简要介绍三相反应式步进电机的一种驱动电路的设计.
1.1步进电机控制研究背景
1.1.1步进电机控制研究背景
步进电机作为机电一体化的关键产品之一，有着广泛的应用。
步进电机是一种根据电磁学原理，采用组合电进铁理论，利用定转子之间的磁场作用，将电脉冲转化为机械能的执行机构.在结构上，电动机定转子都采用凸极结构，各绕组之间的磁场彼此孤立。
步进电是一种离散型自动化执行元件.以一定的步距角一步一步做增量运动，其转速和运行的距离不受负级变化的影响。
只取决于给定脉冲信号的频率和数量。
利用现代数字控制技术，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，实现准确的定位控制:
同时可以通过改变脉冲频率和变化快慢来控制步进电机转动的速度与加速度，从而实现调速的目的.它含有以下优势:
1）无累计误差.步进电机的每步精度在30/u5%之间，在不失步的前提下其的角位移和物入脉冲数严格成正比，不会将一步的误差积累到下一步，有较好的位w精度和运动的重复性.
2）动态响应快，有优秀的启停、反转响应。
3）没有电刷，电机可书性高，寿命长。
4）电机的响应由愉入的数字脉冲确定，可以开环控制，控制结构简单可靠，价格低廉。
5）电机通电停转时候转矩最大，实现停止自锁。
6）速度正比于脉冲频率，可调的转速范围宽:
易于控制，只擂要控制给定脉冲的频率和个效.即可达到调速和精确定位的目的。
正是由于这些优点，步进电机被广泛应用于自动控制系统中，是数字开环控制系统理想的执行元件。
尤其是80年代以后，随着徽处理器的发展和应用，给步进电动机的推广带来了广阔的前景.但是，在性能上步进电机也有明显的不足之处.
1）控制不当容易发生共振和失步现象，且低速时嗓声比较大。
2〕难以获得较大的转矩.
3）高速时因力矩衰减容易造成失步。
1.1.2步进电机的种类
步进电机在构造上分为三种主要类型:
反应式（VariableReluctance，简称VR）步进电机、永磁式（PermanentMagnet,简称PM）步进电机和混合式（HybridStepping，简称HB）步进电机。
反应式步进电动机又称变磁阻式步进电动机，依靠改变电机磁阻来产生电磁转矩，从而带动步进电机运行，是目前比较流行的一种电动机，其绕组位于定子上，转子由软磁材料组成。
其结构简单、成本低、步距角小（步距角为1.20），但动态性能差、效率低、发热大，可命性差.反应式步进电机又分为单段式和多段式步进电机，单段式步进电机结构简单;
多段式步进电机结构复杂.制造困难，工作特性差。
水磁式步进电机的转子用永磁材料制成，动态性能好、抽出力矩大、定位梢度差、步矩角大（一般为7.50或150）.混合式步进电机综合了反应式和永磁式步进电机的优点，是目前十分流行的一种步进电机。
其转子上采用永磁材料，定子上含有多相绕组，按定子绕组又分为两相混合式步进电机、三相混合式步进电机和五相混合式步进电机。
混合式步进电机的特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，配上驭动器后运行效果良好，尤其是两相混合式步进电机，其约占，97%的市场份领。
1.1.3两相混合步进电机
两相式混合式步进电机常见的定子有4个极和8个极，极面上均匀分布一定数且的小齿及控制绕组，各相控制绕组都可以双向通电，转子由永磁铁和两端开有齿槽的铁芯组成，两段铁芯错开半个齿距.转子齿距与定子小齿的齿距相等.同一段转子片子上所有齿都具有同向极性，而两块不同段的转子片的极性相反。
混合式步进电机的轴向结构图如图1-1所示。
图1-1混合式步进电机的轴向结构图
1.2步进电机驱动技术概述
步进电机不像普通的直流电机，不能直接接到交直流电源上进行工作，而必须使用专用控制系统设备进行驱动，步进电机运行的性能如输出力矩、运行频率等除了受其本身性能的影响外，还取决于驱动器控制系统的优劣。
因此，步进电机的出现，步进电机驱动器也应运而生，它们的研究几乎是同步的，步进电机驱动器是步进电机运动控制的一个不可分割的整体。
步进电机驱动系统一般由脉冲信号发生器、环形分配器、倍号处理与放大、推动级、功率驰动、电流检测与保护电路等组成，如图1-2所示。
步进电机
功率驱动器
推动级
信号处理与放大
环形分配器
脉冲信号发生器
MCU
电流采样与保护电路
图1-2传统步进电机驱动器的基本组成部分
脉冲信号发生器用来产生一定的方波或三角波等，环形分配器用来接收外部控制脉冲，井按要求的顺序产生控制步进电机各相绕组导通和截止的信号，从而决定步进电机的转向;
信号处理是实现对输出信号的转换、合成和放大等，如实现SPWM等特殊信号:
推动级是对较小的信号进行放大，从而足以推动驱动电路:
驱动电路一般为双极性驱动电路，如H桥电路，以满足定子磁极的极性交变;
保护电路为过压、欠压、过温保护等保护驱动电路的安全。
1.2.1步进电机驱动技术
混合式步进电机的驱动技术在发展和成熟的过程中出现过各种各样的驱动电路、拓扑结构和驱动方式，其中包括单电压驱动、双电压驱动、斩波恒流驱动、调频调压奥动和细分驭动等。
单电压驱动方式是指以一个恒定的电源电压对工作中的电机绕组进行供电。
这种驱动方式存在共振区，需要串大功串电阻，功耗大，高频时带载能力不高，但是其低频响应较好、驱动电路简单、应用成本低廉
双电压v动的方式是电路使用高低压进行驱动，在导通前以高电压供电来提高电流的上升率，当上升到额定电流时，利用低电压和低压功率管给电机绕组进行供电，以维持额定电流的大小。
这种驱动方式低频时嗓音大，共振现象仍然存在。
斩波恒流驱动是目前步进电机应用.广泛的驱动方式之一，这种驱动方式以比电机额定电压高得多的电压供电，以加快绕组电流上升和衰减的速度，通过斩波的方式使电机绕组电流在高低频及顿定等工作状态中都保持领定值。
这种方式提高了输出转矩，墓本消除了低频共振现象.
调频调压驱动方式实现了电机在低速时绕组电流上升前沿较平缓的特性，从而降低了低频振动。
其荃本思想是在驱动电路中增加比较电路和调压电路，使电机运行在低频时使用低电压驭动，高频时使用高电压驱动。
这种驱动方式能在较宽的频率范围内运行，矩频特性也较好，但是线路比较复杂，而且针对不同的步进电机，需要输出电压与输入控制脉冲频率的特性进行重新调整。
1.2.2细分驱动技术
电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的，与电机本身无关。
其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）
外对细分驱动技术的研究十分活跃，高性能的细分驱动电路，可以细分到上千甚至任意细分。
目前已经能够做到通过复杂的计算使细分后的步距角均匀一致，大大提高了步进电机的脉冲分辨率，减小或消除了震荡、噪声和转矩波动，使步进电机更具有“类伺服”特性。
对实际步距角的作用：
在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己对步距角的要求。
如果使用细分驱动器，则用户只需在驱动器上改变细分数，就可以大幅度改变实际步距角，步进电机的‘相数’对改变实际步距角的作用几乎可以忽略不计。
细分技术与步进电机精度提高的关系：
步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。
细分后电机运转时对每一个脉冲的分辨率提高了，但运转精度能否达到或接近脉冲分辨率还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。
不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；
细分数越大精度越难控制。
细分对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。
国内有一些驱动器采用对电机相电流进行“平滑”处理来取代细分，属于“假细分”，“平滑”并不产生微步，会引起电机力矩的下降。
真正的细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。
细分是细分驱动的其中方法，恒流的实现常用斩波驱动，给定的电流是以正弦波分布。
另一种为电压细分，这种方法是比正弦波的电压驱动电机的线圈，可以不需要反馈地实现电机的细分驱动，但是由于电机的反电势等的作用，正弦波电压驱动并不能产生正弦波的电流，效果没有电流细分好，但是它的驱动电路相对简单。
可以提高电机的步进角分辨率，但是，这并不是细分驱动的初衷，而是为了减缓步进电机运转过程的震动和噪声，使电机的力矩输出更平稳。
这像数码相机的光学变焦和数字变焦的关系，提高步进系统分辨率最好依靠电机本身和机械结构。
在工程应用中，电机的细分数可能不同，在低速时，可增大细分数，当速度增加时，减少细分数。
1.3国内外相关领域研究现状
外多年以来，随着电力电子技术、微控制器技术、信号处理技术的飞速发展，步进电机驱动技术和驱动器的发展也十分迅速.20世纪60年代初期人们就开始使用单电压驱动技术，随后为了改变单电压驱动高频特性又发明了高低压驱动技术。
到20世纪70年代中期，人们发明了斩波驱动技术，通过斩波使步进电机绕组电流在电机工作时都保持恒定，增大了步进电机的转矩，基本消除了低频共振现象。
之后人们又提出了对步进电机步距角细分的驱动方式，以及在此基础上依托于现今先进的单片机技术、DSP技术和FPGA技术又产生电流矢量恒幅均匀旋转驱动技术和电压空间矢量调制（SVPWM）驱动技术
1975年，美国学者T.R首次在美国增量运动控制系统对步进电机步距角细分的控制方法。
自此以后，步进电机的细分驱动技术得到了长足的发展，井在实际中得到了广泛的应用叫.事实证明，步进电机驱动器利用细分驱动方式能很好的解决步进电机低频振动的问肠，提高电机运行的称定性，加强了控制的灵活性，l2006年，英国利物浦约翰摩尔斯大学的学者提出的电压空间矢PWM，分析了不同的空间矢盆SVPWM的五相逆变器及其应用于正弦绕组分布的五相电动机的情况.2009年，寨国普密莲国王理工学院设计井仿真了基于FPGA的多模式步进电机激励信号发生器。
此外，近几年来，国外对步进电机的控制还致力于对集成驭动芯片的开发。
市场上涌现了一大批体积小、性能高的驱动器系统集成芯片，如三洋公司开发生产的PMM8713,PMM8723,PMM8714.SGS公司生产的L297控制器和L298驱动器，日本新电元工业公司生产的MTDI110（四相斩波驱动）和MTD2001（两相、H桥、斩波驱动）、东芝公司生产的TB6560AHQ芯片以及MOTOROLA公司生产的SAA1042（四相）姐动芯片等r26]利用这些集成芯片，在加少盆的外围电路，就可以完成对一个体积小、性能高、功能齐全的步进电机驱动器的设计1521.虽然这些驱动芯片有着很高的集成度和祖定性，但是难以对普通的步进电机都适用，例如L297,L298芯片只含脉冲分配和电流斩波，控制方式有限;
ALLEGRO公司的UCN5804芯片只适用于4相步进电机等。
对于在集成驱动芯片的开发方面，国内与国外一些商家合资，如与日本合作开发生产了THB7128.THB8128等驱动芯片，但由于涉及到微电子技术、集成电路加工技术和电力电子技术的前沿技术，尤其是相对国外先进的控制算法，如空间圆弧插补、PVT算法、样条插补、反向运动学算法、速度前瞻和轨迹拟合等1311国内存在一定的差距。
1.4课题研究的目的
步进电机作为一种将电脉冲转化为角位移执行元件，是机电一体化的关键产品之一，它利用接收到的脉冲信号，驱动步进电机按预定的方向转动一个固定的角度，可以通过控制脉冲数来达到精确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
目前，步进电机尤其是两相混合式步进电机已广泛应用在各个国民经济领域的各种自动化控制系统中，而且需求A与日俱增.另外，步进电机的工作豁要使用专用的控制设备进行驱动，步进电机运行的性能除了受本身性能的影响外，还取决于驱动器的优劣。
因此.市场上对步进电机驱动器的需求也将越来越大，而且对其性能要求也越来越高.目前，市场上的两相混合式步进电机驱动器存在以下问皿:
1）目前两相混合式步进电机驱动器一般都是单电机奥动器，即一个驱动器只能驱动一个步进电机，这祥对于需耍应用多台步进电机的场合，需要购买多台驱动器，加大了产品的生产成本和空间结构的体积。
2）目前市场上的步进电机驱动器驱动两相混合式步进电机运转的最高转速一般限制在500r/min以内，转速再高时电机扭矩已经很小.不足以带动较大的负载，因此使用范围将受到大幅的限制.
3）现有的步进电机细分驰动器驰动步进电机运行时仍存在低频振动和高频失步的问题，严重影晌了步进电机的使用稳定性和精度。
针对以上问题，开发一欲新型的能满足2路以上（最多4路）输出的高精度与高稳定性的两相混合步进电机驱动器将很有必要而且很有愈义和市场前景。
本课压项目就是由此而来的，课题的研究最终目的就是设计与实现一欲具有高精度与高稳定性的2路以上（最多4路）输出的两相混合式步进电机驱动器，适用于28-57系列的两相混合步进电机，且能运行稳定，电机定位精度高、高速输出扭矩恒定。
第2章两相混合步进电机驱动器的整体设计方案
本课题以STM32FI03RST6单片机为核心控制器件，实现2路以上（最多4路）步进电机驱动器的设计。
硬件部分由外部脉冲、方向、使能信号的输入隔离与滤波处理电路，按键液晶的处理单元，驱动功放电路、相电流的采样反馈电路、过温过流保护电路以及电派处理电路等组成，并由按健和，2864液晶对步进电机的驱动电流、细分数等参数进行设定。
软件部分主要由外部脉冲输入中断、基于电流矢里恒幅均匀旋转的PWM输出脉宽移相调整、相电流采样与PI调节等组成。
2.1对运行中高压隔离开关的要求
项目要求的步进电机驱动器应实现如下的功能:
（1）驱动的电机数I，通过扩展可同时塑动4路24-57系列四线制两相混合式步进电机。
2）输入电压能适用于针对不同的步进电机所选用的不同供应电浑电压，输入电压范围限布组为24-64V.
3）输出电流能针对不同的步进电机对相电流在4.8A范困内可调，通过液晶和按键处理，调整定时器输出PWM的占空比来实现.
4）步进电机驱动细分数实现1,2.4.8,16.32.64,128每路可调，通过液晶和按链处理实现。
5）电路含有过压、欠压、过沮、过流、电机绕组开路.通过指示灯以及液晶显示进行区别.过流、过压或过沮（大于电流、电压、工作沮度最大奋数的20%%）时自动关断输出，过压、过流保护后需重新上电才可恢复，过温时当沮度降到低到工作温度时可恢复工作状态。
6）减流功能，通过按键和液晶设置，在电机空闲时电流自动降为运行电流的50010.
7）乃智能报错信号输出，任一路有过压、欠压、过温、过流、电机绕组开路、程序跑等报警时，有指示灯以及液晶显示输出.
2.2驱动器系统硬件构架
图2-1驱动器硬件系统框图
项目设计的步进电机驱动器系统以STM32FI03R8T6单片机为主控制器，包含按键输入、LCD显示、RC滤波电路、光电隔离电路、保护电纬、“桥驱动功放电路和电源处理电路等。
系统预先将步进电机每走一微步所对应的各相电流占空比寄存器值存于各单片机中.山按键及液品设定步进电机、细分数、相电流幅值以及自动减流参数等，由单片机定时器自动产生多路PWM信号（舟路步进电机对应4路PWM信号）.再对采样电阻采样的反馈电流在程序进行P1调节处理，调竹单片机发出的PWM信号的占空比，从而调节电流的大小，驱动功率驱动电路.实现闭环跟踪控制，可通过外部脉冲、方向、使能等信控制各步进电机的正、反转和启
停。
硬件系统框图如图2-1所示。
2.3两相混合步进电机驱动器软件系统构架
软件设计遵服“模块化”设计原则，主要包含系统初始化模块、参数设定及LCD显示模块、调用占空比寄存器班细分表模块、定时器PWM配置模块、AD采样模块以及等P1调节模块等。
图2-2软件系统构架图
采样模块主要用来对步进电机各相电流进行实时采样反馈，如果采样电流偏离预期值过大则由报普模块提供报普信号由LCD输出，井且实施相应的措施，如切断定时器输出等。
PI调节模块用来对步进电机各相电流的AD采样数据进行处理比较，从而调整占空比寄存器的值，使输出电流能达到预期电流的效果。
软件系统构如图2-2所示。
扩展模块是通过按键和液晶进行扩展设定，设定之后使定时器2和定时器3也作为PWM输出，用来控制步进电机的运行。
第三章两相混合步进电机驱动器的硬件构成
本章基于以上章节的分析以及从实践角度的考虑，对两相混合步进电机驱动器的硬件进行了设计，对步进电机驱动器设计的芯片进行选型，进而给出了硬件各个模块的功能及实现方法。
目前，市场上用于步进电机驱动器开发的MCU主要包含DSP,FPGA和单片机。
虽然DSP和FPGA芯片有强大的数据处理能力和高速的运行速度，但是其价格都比较昂贵，因此，基于成本考虑，电机驱动器的设计一般以含有高数据处理能力16位和32位的单片机为主，常见的如STM32F增强型系列和PIC系列单片机等。
驱动电路一般以驱动芯片驱动H桥的构架为主，目前市场是越来越多集成的专用步进电机运动控制模块，将驱动芯片和H桥集成在一个芯片当中，虽然在使用时很方便，但是这种芯片一般都有一定的限制性，而且成本较高，同时会降低驱动器的适用性。
因此，结合低成本、高功能、足够的技术储备、短暂的开发周期等原则，本课题采用STM32F增强型系列单片机作为主MCU.采用分立元件搭建驱动电路。
3.1单片机最小系统设计
STM32F103R8T6单片机最小系统及其外围电路原理图如3-1所示。
属于中等容量增强型.32位基于ARM最新的Cortex-M3内核.带64K字节闪存的微控制器，含有USB.CAN.4个定时器、2个ADC、9个通信接口等丰畜的外设接口，具有价格低廉、运行速度快、数据处理能力强等特点，因此在电机控制方面有着广泛的应用。
单片机的时钟信号含有内部振荡时钟和外部振荡时钟，STM32FI03R8T6单片机系统时钟的选择是在启动时进行.复位时内部8MIlz的RC振荡器被选为默认的CPU时钟，随后可以选样外部的、具失效监控的4-16MIIz时钟.品振电路就足为了给单片机提供一个统一的外部时钟信号，以供单片机实现同步工作方式。
根据单片机的数据手册建议.在引脚OCSIN和OCSOUT之间跨接一个8M的晶体振荡器和两个20p的微调电容，从而构成晶体振荡电路。
图3-1单片机最小系统及外围电路图
3.2电源处理电路设计
驱动器的供电电压为24V-64V，针对不同的步进电机使用不同的电源电压。
而驱动器内部电路需要的电压值有12V,5V,3.3V.驱动器系统要求的愉出电流最高位4.8A，电源芯片采用LM2596和LM1117-3.3。
因为LM2596的最高输入电压为40V，而驱动器的电源电压要求能达到64V。
过压、过流和倒接的电路处理如图3-2所示。
图3-2电源处理电路
过压保护通过TIP122,稳压二极管1N4749A和限流电限进行实现.TIP122的愉入耐压能达到IOOV.歧大电流8A.1N4749A的标称电压为24V，将电源电压稳压到24V后给后续的LM2596供电，而电机的驱动电压由电源电压直接提供。
过流保护采用常规的保险丝方式，保险丝选用自恢复式保险趁。
反接保护采用反接二极管到地的方式，当电源反接时，二极管导通，电流直接经过二极管和保险丝，而不经过后级系统，以起到保护作用。
3.3保护电路设计
系统保护电路包括过压保护、欠压保护、相电流过流保护和过温保护等.电源电压的过压和过流保护采用稳压二极竹和自恢复保险性进行处理，详见电源处理电路设计部分。
欠压保护通过单片机内置的供电枪渊器进行检测判断.以软件处理来实现对运行数据的保护。
Mt1电流过流保护通过对采样电流进行处理与设定电流位进行比较，通过比较结果控制电路的工作状态。
过滥保护电路通过温度传感器LM35CZ来实现，LM35CZ是枯密的摄氏温度传感器.其愉出电压线性的与温度成正比，额定温度范围达到-55℃-1500℃，功耗低于605A。
通过LM35CZ对驱动器温度进行采样转换为电压信号，再将电压信号进行滩波放大后与预设电压进行比较，从而控制10口的电平信号，检测是否过温，从而控制单片机的输出状态。
3.4主驱动电路设计
主控制器输出的PWM信号经过高速光电偶合器6NI37进行隔离后送入主驱动电路。
主驱动电路是电机绕组与电力电子开关器件之间的桥梁，本项目采用双极性的电机驱动方式，驱动电路由桥式驱动芯片1R21IOS和4个N沟道的功率MOS管IRF64ON组成的全桥驭动电路，如图3-3和3-4分别为A+相和A-相驱动电路，共同组成A相绕组驭动
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