三相混合式步进电机细分驱动器设计.docx

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三相混合式步进电机细分驱动器设计

摘要

作为一种常用的开环控制执行元件，步进电机脉冲控制一般分为整步，半步，和细分三种工作方式。

由于整步和半步方式易导致步进电机工作出现振荡现象，且噪声大，效率低，故细分驱动已成为步进电机脉冲控制的主流。

本文正是以三相混合式步进电机为研究对象，针对已有细分驱动采用专用驱动器带来的成本高，档位少，且控制不够灵活等问题，提出一种基于分离器件设计的细分驱动方案。

本文主要研究内容如下：

在对三种步进电机分类比较的基础上，讨论了步进电机的几种常用驱动电路。

重点分析并探讨了三相混合式步进电机细分驱动原理，针对目前三相混合式步进电机细分驱动现状，提出结合正弦细分和恒流斩波控制的细分驱动方案。

分析了三相混合式步进电机细分驱动的设计要求，完成了细分驱动的逆变电路主拓扑结构设计。

基于系统整体设计，完成了细分驱动器的硬件设计和软件设计。

其中，硬件设计主要包括微处理器最小系统，电源模块，信号输入及调理单元，电流采样及PI电流调节单元，PWM调制及三路功率驱动电路设计等。

软件设计主要包括上位PC机软件和下位机软件设计。

上位机完成三相混合式步进电机驱动器细分参数的生成，并基于串行通信实现对下位机的参数设置和控制；下位机基于KeilC语言平台，实现细分驱动器的控制算法。

关键词：

步进电机细分单片机PWM

Abstract

Asacommonlyusedopen-loopcontrolactuator,thepulsecontrolofsteppermotorisgenerallydividedintofullstep,halfstep,andsubdivisiondriverthreewaysofworking.Asfullstepandhalfstepeasilyleadsteppermotoroscillationandnoise,lowefficiency,thesubdivisiondivisiondrivehasbecomethemainstreamwayofthesteppermotorpulsecontrol.Thisarticlemainlystudythree-phasehybridsteppingmotor,buttheequipmentisusuallyexpensive,andonlyhasafewstalls,andnotflexibleenoughtocontrol.Anewwaybasedonseparationdevicedesignandsub-drivingprogram.Themaincontentsareasfollows.

Basedontheresearchingthekindsofsteppermotor,wediscussseveralwaysofcontrol.Wemainlydiscussthesubdivisiondivisionofthree-phasehybridsteppingmotor.Andmakeaprojecttodesignagoodequipmenttomakethesteppermotorworkwell.

GiveThree-phasehybridsteppingmotorsubdivisiondriverdesignrequirements,andcompletedofthesubdivisiondriveinvertercircuittopologydesign.Completehardwaredesignandsoftwaredesign.Includingmicroprocessorsystem,powersupplymodule,thesignalinputandconditioningunit,currentsamplingandPIcurrentregulatorunit,PWMmodulationandthree-waypowerdrivercircuitdesign,hardwaredesign.

SoftwaredesignincludesPCsoftwareandMCUsoftwaredesign.Theprogramusedtocomputersubdivisiondriveparameters,communicatedwithMCUbyserial.AndtheMCUsoftwarecontrolthehardwaresystem.

Keywords:

steppermotorsubdivisionmicrocontrollerPWM

绪论

步进电机是一种很简易方便的位置控制型器件，可以加反馈装置作精确控制，也可以不使用任何反馈装置就能达到比较好的位置控制精度。

该类电机可以将脉冲性质的方波电信号转换为圆形角度位移或者线性距离位移的被控型元件。

步进电机有很多特点，最常见的是在正常工作的状态下，其每次运动结束时的停止位置可以很好通过计算给定的脉冲的方波电信号数目和方向来计算获取；该类电机的转动的加速度与转速也可以通过给信号的控制方向、脉冲的方波电信号的给出频率来计算；还有当其外部带动的负载大小出现变化时，以上提及的几个特点不会受到影响。

每个步进电机在设计完成之后都会有一个固定的参数，就是在整步工作状态时，每接收到一个脉冲的方波电信号，其都会转动一个固定的角度（有一些直线步进电机是改变的线性位移），这个固定的转动角度称之为步进电机的“步距角”。

步进电机最早的雏形诞生时期和柱塞泵发明时期一样。

但是步进电转动速度远不及现在其他类型的电机，在一些高速控制的地方效果不好，拖动负载的能力也比不上其他类型的电机。

但是步进电机具有很好的位置控制功能，很多非电类专业的人员只需要买回步进电机、驱动器、控制器就能组建一个很好的运动控制平台。

步进电机工作的驱动方式有多种，如整步驱动、半步驱动、平滑驱动、细分驱动等。

在整步驱动和半步驱动工作状态时，由于步进电机转子每相绕组线圈的电流变化大，容易出现振荡、噪声大的现象，而且步距角的分辨率不高，控制精度低。

平滑的工作方式并不能精确控制步进电机的每相电流，只是把每相电流的变化率降低很多，步进电机转动时平稳一点。

细分驱动后的每相电流是呈离散的正弦曲线变化的。

采用细分控制以后不但不会引起电机的力矩下降，恰恰相反会使等效力矩有所增加。

1基于三相混合式步进电机驱动器综述

1.1课题研究的目的和意义

现阶段在市场上广泛销售使用的步进电机驱动器，并未能很好解决步进电机运动转角大、振荡、失步等缺点，而且不能很好的根据客户需求改变，有的时候只能降低设计指标，为了满足更多特殊需求，有必要自己开发一款步进电机细分驱动器，这样可以更具需求来快速的改变方案，做出满足要求的设计。

设计一款新的步进电机驱动器的设计方法，使用MCU单片机、一片双路输出的DA芯片、驱动电路、电流采样电路等来构成恒流正弦细分驱动器，这样成本低，使用效率高。

可以实现步进电机转角精确控制这一目的，并具有欠压、过热、过压等保护，提高驱动器使用寿命。

可通过拨码开关来设置电流大小和多档细分，能使步进电机运转更为稳定可靠，提高运转精度，有广泛的应用前景。

1.2国内外研究现状

步进电机正弦细分驱动技术最开始是由科学家在美国增量运动控制系统及器件年会上发表和提出。

细分驱动器的最初设计是对步进电机转子每相绕组线圈的电流的控制，主要采用模拟电路来实现，多个晶体功率管并联，单个晶体功率管控制一种电流的调控，多个晶体管的开通和关断组合成多种电流，通过这样的方式来实现线圈电流的调控。

随着现代数字集成IC的发展，微控制器技术日益成熟，单片机和DSP之类的大规模集成IC被广泛使用，步进电机正弦细分驱动技术方面开始使用这些可编程芯片，简化了驱动电路硬件方面的设计，缩小了控制系统的体积，降低了成本，同时进一步提高了控制系统的高度智能化和细分定位精度，从而使正弦细分驱动技术得到了很好的推广。

我国在步进电机的研究和应用方面起步很晚，由于国外技术的封锁，我国的控制技术和现代半导体技术研发都比较以内自主研发，相比发达国家也非常落后[14]。

50年代后期到60年代后期，步进电机主要是我国的一些科研机构和高等院校做研究和设备装置而采用。

70年代初期，我国在步进电机的设计和研究方面才有所突破和发展，在步进电机机体设计方面也有了很大进步与提升。

70年代中期到80年代中期，反应式步进电机整机的设计和研究工作也发展到较高水平。

九十年代中期，我国也对步进电机做了大量研究，各种混合式步进电机和驱动器被广泛应用和推广。

国内步进电机细分驱动技术在九十年代中期得到了较大发展，主要应用在工业、航天、机器人、精密测量等领域，如数控机床、跟踪卫星用光电经纬仪中采用了步进电机细分驱动技术，大大提高了控制与测量精度。

国内有很多步进电机生产厂商，如四海步进电机，就能很好的提供驱动器和电机，还有白云步进电机。

国内在步进电机控制领域中，雷赛科技申请了大量专利，设计的产品安全可靠，并大量的销售国外，在步进电机控制领域，是国内执牛耳的公司。

上海运控也是我国最为专业的步进电机生产商，并研发了两相步进电机专用的芯片TL206，该芯片使用两相步进电机，和四相步进电机，电流可设定，并可以外置拓展功率管，使用更加方便。

1.3课题研究应解决主要问题即基本理论依据

步进电机是一种广泛应用的电机，使用简单方便。

由于市场上的驱动器设计通用，但是现场环境太为复杂，供电波动大，很多细分驱动器会出现死机现象，而且容易出现失步现象，有必要结合现有的软硬件资源，研究一款实用方便稳定可靠的细分驱动器，使其具有市面上普通驱动器的有点，并能有所改进，使得步进电机运转更为稳定可靠，提高精度，并可自定义配置开发新的平台，这是本项目的意义所在。

本课题设计主要内容有：

（1）研究三相混合式步进电机步进原理，以及细分工作原理等。

并根据步进电机细分原理设计一套方案并实现，制作一套三相混合式步进电机细分驱动器。

（2）根据三相混合式步进电机细分驱动原理，设计满足要求的硬件，包括电源设计、信号接口电路、三路正弦信号产生电路、功率驱动电路、闭环电路、PWM波电路、采样电路、保护电路等。

（3）最后对研究与实验过程做以详细的叙述，总结了在研究中遇到的问题和采取的解决方法，以及后期对该设计的改进意见等。

2设计方案

2.1系统设计总体方案框图

步进电机的驱动方式有多种，比如整步、半步、细分驱动。

其中以细分方案最优，但是控制结构复杂。

三相混合式步进电机采用细分驱动时，可以等效为一种特定的三相同步电机。

这款步进电机细分驱动器具有市面上普通驱动器都具有的特点，还将实现总线控制，PC软件配置等。

三相混合式步进电机细分驱动也有多种方式，比如恒压正弦驱动和恒流正弦驱动。

三相恒压正弦驱动输出给定的三相正弦变化电压，采样回路采集三相输出电压并和给定电压进行误差放大比较，输出占空比可调的PWM波，驱动电机工作，达到恒压驱动。

三相恒流正弦驱动输出给定的三相正弦电流，采样回路采集三相输出电流并和给定电压进行误差放大比较，输出占空比可调的PWM波，驱动电机工作，达到恒流斩波。

由于三相混合式步进电机每相绕组性能都不是很一致，采用恒压斩波时容易出现相绕组电流不对称，而且反电动势也会耦合到相电压中，即使有时给定电压不能很好的达到运转效果，采用恒流斩波就可以很好的消除这样影响，在设计三相混合式步进电机细分驱动器时采用恒流斩波。

系统设计总体方案框图如图2-1所示。

图2-1系统设计总体方案框图

由上图2-1可知，三相混合式步进电机细分器主要包括电源模块，外置信号输入电路，微处理器控制电路，欠压过温过流检测报警电路，两相电流采样电路和三路PI电流调节电路，PWM调制电路，三路功率驱动电路。

其基本工作原理是，系统在上电以后，电源模块输出多路满足要求的电压给弱电部分供电，同时也给强电部分供电，欠压保护电路将会先对供电电压进行检测，如果供电电压太低，将会输出欠压保护信号，并禁止功率驱动部分电路工作。

微处理器控制电路在外置信号的作用下工作，输出可程控的离散正弦给定信号给三路PI调节电路作为参考信号，与电流采样电路反馈回来的电流信号进行比较输出误差信号，误差信号经过PWM调制电路输出多路PWM信号，同时经过三路功率驱动电路以后驱动电机，这样来完成步进电机恒流细分。

由于电机运转时可能会出现过流现象，过流信号经过欠压过温过流检测报警，输出过流信号，直接关断PWM调制电路的输出，迅速降低，并输出过流报警信号，直至过流警告解除。

同时由于系统在工作时，会发热等现象，欠压过温过流检测报警电路的过温部分对系统发热量进行监测，出现过温信号，将会关闭拉低输出电流甚至禁止来保护系统。

这里我们对系统中几个主要的电路结构进行分析和讨论，包括微控制器控制电路、电源模块、三路功率驱动电路。

2.2微控制器控制电路

在设计微控制器控制电路时，本文考虑过多款MCU和多种电路结构，主要考虑性能稳定、出货量大、成本低等特点，并不一味的讲究采用高性能的微控制器来提高系统性能。

该电路主要接受外部脉冲信号，电平信号和RS232信号等。

在整个系统中，单片机的作用是实现PC机通信和外部的输入的脉冲或电平信号，实现三路PI电流调节电路给定量的刷新，和接受欠压过温过流保护信号，并控制报警电路的显示，不算很复杂的控制，可以考虑采用低端的51单片机来实现。

这里我们采用AT89S52单片机作为主控。

整个系统，每工作一次，都会转动一步，并达到一个相位角，如果断电以后，系统从0相位角启动，而电机初始相位角不在0，则会出现电机第一步运行角度过大的现象，我们考虑加入一个EEPROM芯片来存储断电前的相位关系进行保护。

2.3电源模块

整个电路再设计时，需要考虑电源模块的特性。

该电源模块的工作电压范围宽，供电电压从AC交流80V-220V，甚至必须承受电网电压10%左右的波动，还需要考虑系统内部的开关电路对外界电子系统的影响，需要加入EMI滤波部分。

同时由于系统供电范围宽，如果采用线性稳压芯片，采用最高电压为12V芯片，则需要从AC交流80V-220V用变压器降压整流以后满足供电要求的范围为14-36V，而实际变压整流以后，范围为14-42V，不符合要求，而且从36V降到12V采用线性稳压芯片，效率低，发热量大，我们考虑采用开关电源来设计电源模块。

2.4三路功率驱动电路

功率驱动的稳定可靠，在整个系统中尤为重要，由于我们的系统采用的是低端的单片机，不采用数字可靠的PWM生成电路，不能实现软件死区，我们考虑采用硬件电路来实现死区时间调控。

IR公司的集成驱动芯片可以实现悬浮驱动，低压供电，就可实现对功率桥部分实现驱动，但是需要注意的是，IR公司的芯片不具有负偏压，一般建议选择IR公司自己的功率管，我们选择的GP4062管。

3硬件设计

3.1硬件电路框图

三相混合式步进电机细分驱动器方案的拟定和调试参考了网络和期刊论文数据方面的很多文献，我们对这些方案做了细致的研究与分析，经过多个软件对电路的仿真测试，以及多版电路的调试总结，最后终于完成了一版具有如下功能的细分驱动器，这里我们在后文中对这些模块电路分别予以描述和解析。

系统硬件框图如图3-1所示。

图3-1系统硬件框图

该方案是系统第二版调试时所提出的要求和方案结构图，实际过程中为了快速调试，我们改进了一些调试方法，会有少量的电路修改，或者是为了更好的调试我们加入了其他的功能模块，真实的设计以样机为准。

同时本论文中，主要以步进电机细分工作原理进行研究和分析，并采用电路拓扑结构对其进行实现，是一篇介绍电路结构和参数选取的论文，主要是做基础的研究与分析，实用参考意义很大。

3.2微处理器最小系统设计

在本项目中采用的控制芯片为51单片机，是Atmel公司的At89s52芯片，主要是考虑手上有这样的芯片和编程器，而且成本低，后期设计可以采用增强型的51单片机来进行设计。

At89s52单片机的最小系统如下图3-2所示。

图3-2At89s52单片机的最小系统

At89s52单片机资源有限，只能处理数字信号，内部资源有限。

该信号单片机的接口主要有晶体振荡器部分，一个能全双工通信的串口，还有两个定时器，以及四组普通的I/O端口，当然也可以用总线功能。

现在的MCU一般不再使用老式的总线功能，以前可以供选择的MCU过少，需要采用简单的芯片完成复杂的功能，通常一个端口要分时完成多种功能。

比如At89s52单片机的P0和P2端口既是地址总线，又是数据总线。

At89s52单片机有一个多功能端口，在P3端子上，可以实现全双工串口通信，两个外部中断输入控制，以及两个定时器输出端子或者是两个计数器外部输入端子。

单片机正常工作都是在时钟信号的驱动下作用的，我们的系统时钟采用12MHz，这时At89s52的一个振荡频率为12MHz，一个机器周期对应的频率为1MHz，一般执行一条指令需要一个及一个以上的指令周期。

由于At89s52没有内部晶振，同时也没有集成的数字锁相环，一般考虑设计为12MHz时，需要添加一个晶振。

当今科技发展，晶振也有两种可以选择的方案，一种是无源晶振，这种晶振不需要供电；还有一种是有源晶振，需要供电。

有源晶振内部集成了振荡电路和石英晶体。

但是有源晶振一般单价远高于无源晶振。

At89s52内部具有振荡发生器，其实低端的芯片内部正当发生器就是一个非门。

当一个非门输入和输出两端连接一个无源晶振以后，便构成了一个振荡电路，同时为了更快的起振，一般需要在晶振两边接上匹配电容。

在本次设计中也有很多巧妙的地方，比如P0端口的P0_0、P0_1、P0_2、P0_3是与CPLD芯片相连接，但是At89s52芯片采用5V供电，而且为了便于与DA芯片端口电压匹配，上拉电压也采用5V。

这里为了和CPLD芯片进行电压，采用弱上拉，这样5V的输出电流就会减小，CPLD既可以识别高低电平，也降低了系统供电电流，降低了功耗。

三相混合式步进电机细分驱动器设计考虑多重方面的保护，当出现需要报警信号的时候，采用了光电信号。

光电信号报警电路如图3-3所示。

图3-3光电报警信号

本系统设计时候考虑了三种保护，分别是欠压保护、过流保护、过温保护。

分别对应了三个LED发光管，采用红色的LED。

还有一个绿色的LED灯，单片机正常工作以后点亮。

电机启动的时候需要考虑初始位置，一般需要采用初始位置检测芯片，或者是一定的算法来实现。

但是步进电机有一个好处是给定一个脉冲信号转一个角度，当初次系统时候，转的一个角度会有很大变化，主要是没有进行初始位置定位，三个电磁力合成的方向与初始位置隔的太远，才导致这样，但是步进电机第一步工作以后的位置都可以很好的确定，而且停电以后只要不拨动步进电机的转子就可以很好的保持不动，我们可以采用一个EEPROM芯片来存储这个相位数据，便于上电以后读取初始位置。

EEPROM芯片电路如图3-4所示。

图3-4EEPROM存储电路

EEPROM芯片有很多中，现在有很多新技术应用到其中，最新的技术产品有铁电存储器，刷写次数达数亿次，而且刷写时间快，不过本次设计中并不是平凡的读写数据，而且读写速度并不快，采用普通的AT24C04可以满足设计要求。

AT24C04是内部有512个存储字节能力的串行芯片，支持IIC总线。

外部有三根地址线，但是对AT24C04来说，最低位的地址线不具有任何意义，该芯片内部以256字节为一页，共有两页，内部占用了一位地址线，理论上AT24C04在IIC总线上只能有四个设备连接在一起，并需要用高两位的地址来硬件锁定，可以实现最多2K字节的数据存储。

3.3开关电源设计

3.3.1电源需求分析

由于系统供电复杂，供电电源范围内广为AC交流80~220V，或者直流供电大于113V，小于310V，其中需要考虑市电会有正负10%的电压幅度波动。

由于市电扰动打，现场的环境也比较复杂，同时细分驱动器采用斩波电路驱动，会有高频开关噪声产生，干扰会通过线路反串会电网，需要EMI滤波，尽量降低市电对细分驱动器的干扰，也避免细分驱动器工作时开关噪声干扰电网。

由于不同芯片多，需要供电电源大小也不一样，有+3.3V，+5V，+-12V，+10V，还要给功率电路供电，需要设计一个宽范围供电的电源。

如果采用线性稳压芯片稳压，比如W781X这样的三端稳压器，需要采用变压器降压，变压器体积大，而且输入电压范围大，三端稳压器输入电压不能超过36V，最低输入电压一般要比输出电压高出2V左右，输入电压范围不能很好的控制，采用线性稳压芯片不能很好的解决这个问题。

采用开关电源芯片输出电压负反馈稳压，并结合线性芯片稳压，可以很好的解决这个问题。

供电系统采用UC3842A设计反击变换器，+5V，+-12V，+10V，并通过AMS1117-3.3V芯片稳压，给低压芯片供电。

3.3.2EMI滤波器设计

随着现代社会科技的飞速发展与进步，对能量效率的利用提出了更高的要求。

现在越来越多的电路为了提高电能的利用效率采用了开关技术，电磁干扰环境更为复杂。

数字电路只需要处理高低电平信号，也只有两个状态，可以很好的转换到电路的开关状态上。

现在数字电路设计上也采用开关技术，降低了系统工作漏电流。

随着科技的进步，越来越多的数字电路和开关电源技术的在设计中被使用，很多电子设备泄露和辐射出来的电磁波，会对周边的电子设备正常工作产生严重干扰。

这种干扰很容易见到，比如我们在实验室调试好的设备到了现场就容易出现死机，或者我们的设备在现场开机以后，周边的设备都不能正常工作。

最近有新闻报道，一个通信基站设备不能正常工作，经过专业的设备检查以后，发现是周边一家商店的电子广告牌工作以后发出的电磁辐射干扰了基站的正常工作，可见这些泄露和辐射出来的电磁能量能严重干扰其他设备控制出错，设备不能正常运转，甚至现在有些人因为长期使用手机通话引发头疼现象，甚至因为电力线路的辐射患有重大疾病，严重危险了人类的人身健康。

这种无形的电磁干扰对人类生活的影响并不亚于环境噪声、食品、饮用水、空气等实质性的污染物，很有必要好好的研究如何降低电磁干扰。

现在研究表明，在电路中加入EMI滤波器，可以有效的减少干扰。

其中这些干扰信号一般被分为两种，一种是共模干扰，一种是差模干扰。

共模干扰就是导电物体和参考地线之间不希望存在的电位差；差模干扰是两个导电物体之间不希望存在的电位差。

共模干扰和差模干扰的来源主要可以从以下两个方面来考虑：

架空的导线在传输过程中受到周边的电磁辐射照成的干扰，比如闪电雷击等为共模干扰；当同一条输电线上的不同设备其中一台设备操作切换时容易产生的干扰为差模干扰。

为了有效的滤除工模干扰和差模干扰，有的时候采用多级滤波器。

图3-5示出一种两级复合式EMI滤波器的内部电路，由于采用两级（亦称两节）滤波，因此滤除噪声的效果更佳。

其中C2、C3、C4、U1、U2主要用来滤去工模干扰，C1、C5、U1、U2主要用来滤除差摸干扰。

当然这些参数从理论上来讲是越大越好，但是会造成电感电容体积过大，成本增加，无功功率太大，效率降低。

图3-5两级复合式EMI滤波器的内部电路

为减小体积、降低成本，单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器，典型电路如图3-6所示。

图3-6单级EMI滤波器

其中P4为电源输入端子，假设输入电源幅度为220V交流电，则其峰值电压为310V。

C9和U3构成工模滤波器，C9和U3，C1