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步进电机驱动控制技术及其应用设计研究
第一章绪论
步进电机是一种将脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的控制电机,它能够在不涉及复杂反馈环路的情况下实现良好的定位精度，并由于具有价格低廉、易于控制、无积累误差等优点,在民用、工业用的经济型数控定位系统中获得了广泛的应用,具有较高的实用价值。
为了强调本论文的实用性及可行性，本章综述了步进电机的各种特性；说明了步进电机的构造、工作原理及驱动；回顾了步进电机在国内外发展及应用的概况；分析了本论文所要重点研究的SPWM（正弦脉冲宽度调制）细分驱动、及升降频运动控制等关键技术；最后，介绍了本论文的研究内容以及其它章节的结构安排。
1.1步进电机概述
基于电机的运动控制技术作为自动化领域的关键部分，在国民经济当中起着重要的作用。
随着现代科学技术的进步，尤其是集成电路、电力电子器件、自动化控制理论等方面的进展，电机在其实际应用中已由过去简单地控制转动停止、以提供动力为目的应用上升到对速度、加速度、位移和转矩等进行精确控制阶段，以便使被驱动的机械运动准确符合预想的要求。
步进电机正好能够很好地符合这种需求，它是一种将数字脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的数模转换控制电机。
通常所说的步进电机一般是指机电一体化设备包括步进电机及其驱动器，当步进电机驱动器接受到一个脉冲之后就驱动步进电机转动一个固定的角度即步距角。
步进电机不像其它电机那样连续旋转而是以一定的步距角一步一步做增量运动因此而得名。
所以通过控制脉冲个数来控制步进电机转动的角位移，达到精确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲的频率来控制步进电机转动速度和加速度，达到调速的目的。
除此之外步进电机还具有以下一些优点[1~6]：
（1）无刷：
步进电机是无刷结构电机，与带有换向器和电刷等易损部件
的传统有刷电机相比而言可靠性更高；
（2）与负载无关：
不超载时步进电机能够按照设定的速度运行；
（3）动态响应快：
易于启动、停止和反转；
（4）保持转矩：
停止时能够自锁；
（5）无累积误差：
虽然步进电机每转动一步的角位移与标称的步距角具
有一定的误差（3~5%），但是转动一周后累积的误差和为零。
（6）步距角与环境无关：
步进电机的固有步距角是由本身构造决定的，与温度、电压、电流等使用环境无关。
（7）易于控制：
只需控制脉冲的频率和个数，即可达到定位、调速目的。
（8）价格低廉：
步进电机相对于同样用于定位领域交、直流伺服电机而言
具有较高的性价比。
正是由于这些优点，使得由步进电机及其驱动控制器构成的开环数控定位系统，既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠地工作。
与同样应用于定位领域的交、直流伺服电机构成闭环伺服系统相比较而言，主要优势在于性价比高和驱动控制简单，但是性能上却具有以下明显的不足之处[1~6]：
（1）低速转动时振动和噪声都比较大；
（2）输出力矩随着转动速度的升高而降低；
（3）启动频率不能太高，否则会堵转并伴随有呼啸声；
（4）速度突变较大时存在丢步和过冲现象；
（5）最高运动速度较低，且高速运转时输出力矩小。
（6）开环控制，不能保证实际转动的角度与设想的完全一致。
虽然步进电机有这些缺点，但是并不影响其在经济型的数控装置上的使用。
现在比较常用的步进电机主要有反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度，振动和噪音小；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大；混合式步进电机混合了永磁式和反应式的优点，步距角小、转矩大且振动、噪音小，它主要又分为两相和五相：
两相步距角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
1.2步进电机工作原理
目前步进电机的种类繁多，性能特点也各有差异，但按照基本构造和工作原理可分为三种类型：
磁阻式（亦称反应式），即VR型（VariableReluctance）；永磁式（亦称爪极式），即PM（PermanentMagnet）；混合式，即HB（Hybrid）。
以下将就这三种类型步进电机的构造以及基本驱动原理做简要的描述。
1.2.1磁阻式步进电机
磁阻式步进电机通常也可称为反应式步进电机，其定转子均采用齿状结构，定子每个极上都绕有线圈，转子则是由软铁材料制成的。
其基本原理是绕组通电励磁之后会产生一个转矩迫使转子转动到磁通路径磁阻最小的位置。
为了更好的说明磁阻式步进电机的工作原理，图2展示了简化的三相反应式步进电机，其定子上有八个极，转子只有四个小齿，步距角为30°。
当绕组1通电时，为了保持其磁通路径磁阻最小，将产生一个转矩迫使X与之对齐；接着若绕组1断电、绕组2通电，则转子将顺时针转动使得Y与绕组2对齐保持磁通路径磁阻最小。
实际上的步进电机可通过增加定子极数或者转子的齿数来减少步距角，例如图1所示的是四相反应式步进电机的横截面示意图，其定子上有八个极，每个极上分布有5个小齿，转子有50个小齿，步距角为1.8°。
图1四相反应式步进电机横截面示意图图2三相反应式步进电机示意图[5]
1.2.2永磁式步进电机
图3永磁式步进电机结构示意图[7]
如图3所示，永磁式步进电机转子为N极、S极相间的永磁体，由于定子极冲制成爪型因而又名爪极式步进电机。
其基本工作原理是转子上的永磁体建立的磁场和定子绕组电流激励的磁场相互作用，形成的同性相斥、异性相吸的电磁转矩，当绕组励磁产生的合磁场发生旋转时，转子也会跟着同步转动起来。
如图4所示
图4两相永磁式步进电机实物解剖图
永磁式步进电机的定子是由绕满漆包线的注塑骨架套在爪极板上构成的，当绕组通电励磁后定子上爪极就会被磁化为N极或者S极，从而与转子的N极和S极相互作用形成电磁转矩。
永磁式步进电机相对于反应式步进电机来说，具有控制功率小、振动和噪音小的优点，但是由于其定子极数和转子极数相同，且转子永磁体要制成NS密集相间的多对磁极比较困难，因而其步距角一般比较大。
1.2.3混合式步进电机
混合式步进电机定子、转子铁芯均为齿状结构同反应式步进电动机结构非常相似，但是其转子带有永久磁钢具备永磁体的特性，所以混合式步进电动机可看作VR和PM两种步进电动机的组合。
图6所示的混合式步进电机的详细的结构示意题图，图5则是两相混合式步进电机的实物解剖图。
从这两个图中可以看出混合式步进电机的定子是多个带有小齿且绕有线圈的极子构成的，这个可以说和反
应式步进电机是相同的，而转子则是由左右两边带有小齿的铁芯以及中间的永久磁钢构成，左右两个铁芯一边呈现S极另一呈现N极且相互错开1/2个小齿齿距以
图5两相混合式步进电机实物解剖图[9]图6混合式步进电机结构示意图[8]
便形成跟永磁式步进电机类似的N、S相间磁极。
混合式步进电机的基本工作原理和永磁式步进电机一样，是靠绕组通电之后激励的磁场与转子固有的磁场进行同性相斥、异性相吸的相互作用，形成电磁转矩促使转子转动，当定子绕组激励的合磁场发生旋转时定子也同步旋转。
目前步进电机主要以定子8极、转子50齿的两相混合式步进电机和定子10极转子50齿的五相混合步进电机为主，图7和图8为各自的横截面示意图。
图7五相混合式步进电机横截面示意图[8]图8两相混合式步进电机横截面示意图[10]
1.3国内外发展概况与趋势
步进电机问世以后很快就确定了开环高分辨率数控定位系统的应用领域，在工业上的应用发展至今已有30多年的历史，还没有找到更合适的替代产品，而且已经成为除了交直流电机外的第三大类电机[11]。
在其发展历程中，出现了多种类型步进电机，按照基本的构造和工作原理可分为三大类型即磁阻式、永磁式和混合式。
在日本和西方等发达国家早期都是研制和应用磁阻式步进电机，但是由于固有的能量利用率低、振动和噪音大等缺点逐步被淘汰掉,目前在国外几乎没有了仅仅在某些场合例如在温度很高的核反应堆中或者需要电动机的不通电的情况下定位力矩为零的时候才使用[12]；永磁式步进电机则由于转子永磁体加工方面的限制步距角一般较大，相应的转动分辨率比较受限，但是由于采用了低成本的爪极式结构使得其制造工艺简单、价格较低，容易快速批量生产，因而广泛应用于对性能要求不高的场合；混合式步进电机则具备了反应式步进电机和永磁式步进电机的优点，成为工业自动化等性能要求较高应用场合的主流，它刚开始和反应式步进电机一同发展起来，后来逐步用于替代反应式步进电机。
在步进电机30多年的发展过程中，按照相数、步距角以及机座等划分，可以说出现过的步进电机的规格品种极其繁多，然而这种状态不利于步进电机产业的发展，随着时间的推移目前逐步形成了相应的主流产品，在西方可以明显看出最大量应用的是定子8极转子50齿的二相混合式步进电动机,其次是定子10极转子50齿的五相混合式步进电动机[13]。
在我国,步进电动机的研究始于1958年，当时只有清华大学,华中理工大学等少数高等院校在从事这项工作。
60年代受苏联的影响，主要以三相磁阻式步进电机为主。
70年代我国研制快走丝数控线切割机、数控机床等数控设备的需求对步进电机的发展起了很大的促进作用。
当时受到苏联、日本等工业较发达国家的影响，国内开始自行研制磁阻式步进电机的系列产品。
70年代末形成了以定子6个极、转子40齿的三相磁阻式电动机为主,另外还有定子10个极、转子100齿的五相磁阻式电动机等共存的步进电机应用局面。
可以说，我国80年代以前一直以磁阻式步进电机为主,80年代初开始注意发展混合式步进电机，刚开始主要也是发展定子8个极、转子50齿的两相（四相）混合式步进电机，后来又于1987年开始自行设计定子10极、转子50齿的五相混合式步进电动机,同时为了与磁阻式步进电动机的步距角保持一致还发展了一些不同于国外的非典型产品。
虽然经过80年代的努力，我国混合式步进电机技术包括制造技术和驱动技术都与国外水平接近，但是由于我国工业起步较晚且发展之初广泛采用了磁阻式步进电机，产品更新换代没那么快，同时磁阻式步进电机虽然效率低、振动和噪音大但是由于坚固耐用、驱动控制技术成熟、价格较低，仍然很受国内中小企业的欢迎，因此我国步进电机的生产与国外不同仍然以反应式步进电机为主。
[12~14]
步进电机制造技术虽然在上世纪80年代已完全成熟，但是其性能指标仍在不断地提高[14]。
做为主流类型的混合式步进电机仍朝着以下几个趋势发展[12]：
（1）小型化；
（2）改圆形为方形，以提高力矩密度；（3）综合设计，集成位置传感器、变速齿轮等装置；（4）向五相及三相发展。
在驱动控制技术方面，专用芯片、单片机、复杂可编程逻辑器件（CPLD）、数字信号处理器件（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）等在步进电机系统中的应用，使得各项关键技术如斩波恒流、细分驱动以及升降频控制的实现更加容易，从而促使步进电机运转更平稳、响应速度更快、定位精度更高。
此外，虽然步进电机广泛应用于开环定位系统中，但是如果辅之以先进的检测反馈元件（如光栅编码器）组成高精度的闭环定位系统，能够达到更高的定位精度。
1.4关键技术问题
步进电机由于的驱动控制简单、无累积误差等优点，被广泛应用于经济型的高分辨率数控定位系统当中。
但是它存在着两个明显的固有缺点，一个是低速转动时振动和噪音相对较大，另一个是当频率突变过大时容易堵转、丢步或者过冲，这两个缺点对定位系统的精度会产生较大的影响。
步进电机作为一种机电一体化设备，电机本身固有的问题可通过驱动器或者控制器来弥补。
采用细分驱动技术可以大大减少低速转动时的振动和噪音，还可以起到减小步距角、提高分辨率、增大输出力矩的效果；采用升降频控制技术,则可以克服步进电机高速起停时存在的堵转、丢步或者过冲等问题，使步进电机转动得更加平稳、定位更加精确。
1.4.1正弦细分驱动技术
步进电机的工作原理本质上靠励磁绕组产生的旋转的合磁场带动转子做同步运动。
不细分时步进电机的合磁场将以一个固定的角度旋转，如果对这个角度进行细分，那么就可以实现对步距角的细分。
由于励磁绕组通电之后产生磁通量正比于电流的大小，因而只要控制流过各个绕组的电流的大小和方向就可以控制步进电机各个绕组产生的合磁场的大小和方向。
当步进电机工作在整步或半步时，只需对绕组进行正、反向通断电控制，工作在细分状态下就需要精确控制流过绕组电流的大小。
如图11所示，以两相混合式步进电机为例，如果控制绕组电流分别按照如下的正余弦规律变化，那么绕组的合成电流矢量或者合成磁场矢
（1）
；
（2）
；（3）
（4）
其中，Ia:
绕组A的电流，Ib：
绕组B的电流，IPEAK：
绕组的电流最大值，I：
合成电流矢量，θ0：
合成电流矢量的步进旋转角度，n:
控制脉冲编号,m：
步进电机细分数。
量将以恒定大小、均匀的角度θ0做圆周旋转，从而使得步进电机的输出力矩恒定、细分步距角均匀。
图11两相正弦细分波形[7]
1.4.2脉冲宽度调制技术
目前一般采用脉冲宽度调制（PWM）技术来精确控制绕组电流的大小。
PWM技术是建立在以下理论基础上：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上,效果基本相同[15]。
步进电机的绕组由于电流不会突变，具有明显的惯性环节,因此可以用PWM技术来控制电机绕组的电流大小。
如图12所示，周期脉冲信号的导通阶段（ton）对绕组进行充电，截止阶段（toff）绕组通过续流回路进行放电。
当脉冲的频率和宽度达到一定值时，绕组的电流将基本是一个恒定值，并带有微小的纹波信号。
当脉冲宽度改变时，绕组的电流也将发生变化。
所以PWM可用来精确控制绕组电流的大小。
图12绕组PWM恒流斩波电压、电流波形[7]
1.4.3升降频控制技术
步进电机从静止启动时，由于惯性和摩擦力矩的作用，如果转动频率突变太大可能会丢步甚至堵转；当步进电机在高速运转时如果突然停下来，则可能会过冲，这些情况都会导致运动不平稳以及定位精度不高。
在实际应用场合中，步进电机经常要工作在高速转动和快速起停的状态下，为了克服堵转、丢步和过冲的问题，可采用升降速控制技术。
由于步进电机升速过程当中输出力矩明显减少，因而步进电机的升速曲线的设计尤为重要。
步进电机的升速过程一般由突变频率和加速曲线过程。
突变频率不可太高否则会丢步甚至堵转。
由步进电机的运动方程可得出理想的加速曲线为指数曲线为
（其中，fm为最高连续运转频率，τ：
时间常数）[16]。
实际上步进电机转动频率不是连续变化的而是离散的，因而升速曲线一般是指运行频率与脉冲数的关系曲线（如图13所示）。
由于单片机的硬件资源和计算能力都比较有限，一般采用各种方法来拟合升速曲线，常见的方法有台阶拟合法、直线拟合法以及查表法[18]。
出于拟合精度和实现难度的折中考虑，实际使用中往往采取直线拟合法。
图13指数型升速曲线[17]
由于步进电机降速过程中输出力矩增大，因而对降速曲线的要求比升速曲线低得多，只要保证不因为惯性而过冲超步即可。
因而实际使用中，往往采用台阶拟合法。
1.5本论文的工作内容
本论文的主要工作是在深入研究步进电机的工作原理和驱动控制技术的基础上，根据实际应用需求设计出多种基于单片机的步进电机驱动控制产品。
具体完成了以下几个方面的工作：
（1）开发了两相永磁式步进电机专用测试仪器.
（2）设计了五相混合式步进电机的专用驱动器；
（3）开发了两相混合式步进电机三维可变细分驱动控制器；
（4）设计了USB-CAN、CAN-RS232的透明协议转换通讯模块；
（5）搭建了基于步进电机的芯片显微自动拍照系统硬件平台。
为了具体介绍本论文的工作内容，我们按以下章节结构来安排本论文的撰写。
本章主要重点介绍步进电机的特性、工作原理、发展概况以及关键驱动控制技术；第二章至第六章则分别介绍上述的
（1）至（5）的具体内容；第七章对本论文的工作进行总结，并展望一下今后可进一步开展的工作。
第二章两相永磁式步进电机测试仪器的设计及实现
步进电机生产厂商在研制出一款新的步进电机之后，一般都要借助专用的测试仪器对电机的各种性能参数进行实际测试；在量产阶段由于受各种因素的影响一般也会存在一定比例的次品，因而也需要借助专用的测试仪器来判断产品是否合格。
然而市面上的步进电机专用测试仪器很少见，即使有也不一定能够满足生产厂商的特殊要求。
本文正是在这种背景之下，针对步进电机生产厂商的具体需求，开发出了基于AVR单片机的两相步进电机专用测试仪器，该仪器主要用于测试两相永磁式步进电机，但是由于混合式步进电机的工作原理与永磁式一样，也可用于测试混合式步进电机。
2.1整体介绍
步进电机生产厂商为了能够测试各种不同性能参数的步进电机，往往对测
试仪器通用性要求比较高。
以下是本测试仪器的设计目标。
◆驱动电压可调，范围1.5~36V；
◆同时能够驱动6个电机，每个电机最大耗电要能够达到1A；
◆可设置单极或者双极驱动方式；
◆可设置1相、2相或者12相励磁方式。
2.1.1驱动方式
图2.1单极型两相步进电机图2.2双极型两相步进电机
如图2.1所示，单极型两相步进电机内部具有两个励磁绕组，每个励磁绕组上还具有一个中心抽头。
这两个中心抽头可以分别引到电机外部，也可以内部连接在一起之后再引到电机外部，因而单极型两相步进电机具有5或者6根外部引线。
如图2.2所示，双极型两相步进电机内部也具有两个励磁绕组，但是不像单极型那样有中心抽头，因而其外部引线只有4根。
永磁式步进电机的转动主要依靠绕组通电产生的磁场与转子永磁体上南极、北极相互吸引或者排斥，因而与绕组的通电方向有关。
单极型步进电机的绕组中心抽头一般固定接地（或者电源），其绕组的通电方向主要取决对上半部分绕组通电还是对下半部分绕组通电，因而对应的单极驱动电路只需对半个绕组进行简单的通断电控制。
而双极型步进电机的绕组的通电方向则取决于两端的驱动电压，当施加正向电压时产生正向电流，当施加反向电压时就产生反向电流。
2.1.2励磁方式
励磁时序选择依据是要使得各个绕组的合成磁场能够沿着圆周均匀旋转。
下表1、表2分别为单极驱动和双极驱动的12相励磁时序表。
1相励磁方式下，励磁时序为0-2-4-6-0；2相励磁方式下，励磁时序为1-3-5-7-1；12相励磁方式下，励磁时序则为0-1-2-3-4-5-6-7。
表2.1单极12相励磁时序表
绕组
时序
绕组A+
绕组A-
绕组B+
绕组B-
0
1
0
0
0
1
1
1
0
0
2
0
1
0
0
3
0
1
1
0
4
0
0
1
0
5
0
0
1
1
6
0
0
0
1
7
1
0
0
1
1：
通电，0：
不通电
表2.2双极12相励磁时序表
时序
绕组
0
1
2
3
4
5
6
7
绕组A
+
+
0
-
-
-
0
+
绕组B
0
+
+
+
0
-
-
-
+：
正向通电-：
反向通电0：
不通电
2.1.3测试流程
寿命测试模式主要用于测试电机的实际使用寿命，具体做法是让步进电机按照设定的转动流程，循环转动一段时间（如3000个小时）之后如果还能够正常工作，则表示步进电机使用寿命能够满足要求。
具体测试流程如下图所示，其中转动频率F1~F3、转动方向D1~D3、转动时间T1~T3、停止时间t1~t3以及循环次数N都要可以设置。
转动频率F设置范围为0~10KPPS（PulsePerSecond）；转动方向可设置为正转或者反转；转动时间以及停止时间的设置范围都为0~9999，单位100毫秒；循环次数设置范为0~99999999。
测试结束
图寿命测试流程图
2.2硬件设计
电源模块
图寿命测试仪硬件框图
如上图所示，寿命测试仪的硬件主要由单片机模块、液晶显示模块，按键输入模块、电源模块以及步进电机驱动模块构成。
按键及液晶模块用于搭建人机交互界面，以便能够灵活地设置及显示系统参数；
2.2.1电源模块
测试仪所需要的功率比较大，因而电源模块的设计尤为关键。
最大负载情况下，寿命测试仪要同时驱动6个电机、每个电机耗电1A且驱动电压为36V，所以总的负载功率为216W。
如果采用像上述的转速测试仪那样采用变压器和开关稳压芯片的方案，那么变压器的体积将非常庞大，不切合实际。
为此这里我们采用了大功率开关电源和多路开关稳压芯片的供电方案。
所选择的开关电源主要参数为350W、48V（可调范围41V~56V），因而相对最大负载功率而言有相当大地冗余，从而能够提高开关电源的使用寿命；开关稳压芯片采用LM2576-ADJ，该芯片具有可调范围大1.23~37V，输出电流高达3A的优点，能够满足设计要求。
下图所示的是电源模块的框图，如果用单个LM2576的开关稳压芯片没法提供6A的电流，因此我们设置了三路LM2576输出电压，其中一路专门给单片机及液晶等逻辑电路供电，另外两路则专门给驱动模块供电，每个驱动模块可以驱动三个电机。
单片机及液晶模块
图电源模块框图
2.2.2单片机模块
单片机模块作为核心控制单元在整台仪器中起着非常重要的作用。
此处，我们采用了高性能的AVR单片机Atmega16L。
通过Atmega16L的AD转换口可以进行电源电压的检测，通过通用的数字IO口可以进行按键检测、控制液晶显示模块以及控制电机驱动模块切换通电时序等等。
以下是单片机模块的框图。
电源输入接口
图单片机模块框图
2.2.3步进电机驱动模块
步进电机驱动模块直接与电机连接并驱动电机转动，起到功率放大的作用，它的驱动行为受单片机模块的控制。
步进电机驱动模块设计的好坏直接影响到寿命测试仪的性能和耐力，此处我们采用了专用双极型电机驱动芯片L298N。
L298N是一款高耐电压、大工作电流的双全桥驱动芯片，其工作电压可高达46V，输出电流可高达4A，其具有过温保护功能，控制信号电平与TTL兼容。
[]因而采用1块L298N，就可以驱动一个两相步进电机。
下图是L298N的功能框图。
图L298N内部框图[]
下图所示的是步进电机驱动模块的硬件框图，模块中采用了三块L298N芯片因而可以驱动三个电机。
同时，我们将逻辑电路的电源与驱动电机的电源
区分开来，逻辑电源一般是固定的，可以取9~12V，经过LM7805之后就变成一个稳定的5V电源。
驱动电源是可调的，范围为1.5~36V。
逻辑电源和驱动电源都是由电源模块提供。
电机接口3
图步进电机驱动模块框图
为了达到既能单极驱动、又能双极驱动的设计要求，我们除了采用L298N构成双极驱动电路之外，还加入了一个NMOS功率管，具体如下图所示，图中的二极管作用是为绕组放电时构成续流回路。
图中的四相步进电机有六根引线，工作在单极驱动方式时NMOS功率管Q15和Q25饱和导通，使绕组的公共端2、5接地；工作在双极驱动方式时，绕组公共端2、5不接驱动电路或者让Q15、Q25截止，此时相当于只有两个绕组即绕组13、绕组64，从这个意义上讲四相步进电机与两相步进电机是一样的。
可见单极、双极驱动电路的差别仅在于绕组公共端接地或者悬空。
图单、双极驱动电路图
2.2.4按键及液晶显示模块
由于Atmega16L的IO口比较充裕，如下图所示，按键的检测是直接通过读取IO的电平信号来实现的。
寿命测试仪并不需要复杂的参数设置，因而如下图所示，仅需要五个按键即S、M、P、+、-。
图按键输入电路
为了减少单片机的负担，我们采用了带有汉字字库的液晶显示模块HS12232-9。
下图所示的是液
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