毕业设计论文步进电机细分驱动电路设计.doc

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1、前 言 随着社会的进步和人民生活水平的不断提高及全球经济一体化势不可挡的浪潮，我国微特电机工业在最近10年得到了快速的发展。快速发展的显着标志是使用领域不断拓宽，用量大增，特别是在日用消费市场和工业自动化装置及系统的表现最为明显。与此同时，随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术、新材料以及控制理论和电机本体技术的不断发展进步，用户对电机控制的速度、精度和实时性提出了更高的要求，因此作为微特电机重要分枝的控制电机也得到了空前的发展。步进电动机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行组件。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。步

2、进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。步进电机和普通电机的区别主要在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候，甚至可以和直流伺

3、服电动机性能相媲美。步进电机被广泛应用于数字控制各个领域：机器人方面，机器人的的关节驱动及行进的精确控制，需要步进电机；数控机床方面，如数控电火花切割机床要求刀具精确走步，减小加工件表面的粗糙度的同时提高效率，需要步进电机；办公自动化方面，如电脑磁盘驱动器中的磁盘进行读盘操作的精确位置控制，需要步进电机，在打印机、传真机中也需要步进电机对设备进行位置控制。步进电动机是经济型数控系统经常采用的电机驱动系统。这类电机驱动系统的特点是控制简单，适合计算机系统控制要求。步进电动机的细分驱动系统较以往的电机系统，消除了低频震荡问题，控制分辨率更高，使其应用领域更加广泛。1步进电机的发展背景1.1国外步进

4、电机的发展 步进电机的机理是基于最基本的电磁作用，其原始模型起源于19世纪中期，1870年开始出现最早的步进电动机。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电动机，不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛应用。20世纪60年代后期，随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生，而半导体材料的发展则推动了步进电机在众多领域中的应用。近30年来，步进电机迅速发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机及同步电动机并列，成为电机的一种基本类型。1.1.1国内步进电机的发展 我国的步进电动机的研究和制造起始于20世纪50年代后期。从50年代后期到60年代后期，主要是

5、高等院校和科研机构为研究一些装置而开发的少量产品，这些产品以多段式三相反应式步进电动机为主。70年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破，除了反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究也发展到了一个较高的水平。70年代中期到80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。自80年代中后期以来，由于对步进电动机精确模型作了大量的研究工作，各种混合式步进电动机驱动器作为产品广泛应用。1.2步进电机驱动器的发展1.2.1步进电机驱动方式 随着科学技术的发展，步进电机的驱动电路也不断改进，发展了好几种驱动方式。一般而言，步进电机的驱动方式有以下几种：（1） 单电压串电

6、阻驱动单电压串电阻驱动器是最早的驱动器，是实现驱动器的基本功能的最简单的电路实现形式。单电压串电阻驱动主电路采用单管单端结构，串电阻是为了使绕组导通电流上升的前端变陡，改善高频的特性。这种驱动器的主要优点是电路简单，成本低；缺点是运行效率低，电阻能量消耗大，电阻发热还会影响整个系统的工作条件。（2）双电压驱动双电压驱动的基本思想是在较低的频率段用较低的电压驱动，而在高频段时用较高的电压驱动，其主电路采用的是双管双端驱动结构。绕组中串联电阻比不可少，驱动器存在较严重的发热问题。转换频率将整个频域分成两段，特性不连续，在低于、接近转换频率时输出特性下降较大。（3）高低压驱动基本思想是在导通相的前沿

7、用高电压驱动提高绕组导通电流的前沿，而在沿过后用低压驱动维持绕组电流。主电路采用双管双端结构。绕组中不需限流电阻，不存在电阻的发热问题。优点是电机相绕组在很宽的频域都保持很大的平均电流，截止时泻放迅速，扩大了步进电机的运行频域；缺点是低频运行时，绕组的上冲电流比较大，电机的低频域运行不平稳，噪声较大。（4）斩波恒流驱动主回路由高压晶体管、电机绕组和低压晶体管串联组成，逆变桥可以是多相H半桥结构，也可以是H桥。这类驱动器的优点是单步响应过冲量小，能够抑制低频振荡，运行频域宽；缺点是惯性滤波环节影响了系统的动态特性。（5） 细分驱动 细分驱动也称为微步驱动。即：将一个步距角细分成若干个步的驱动方法

8、。细分驱动是美国学者在七十年代中期首次提出，它是建立在步进电机的各相绕组理想对称和距角特性严格正旋的基础上的，通过控制电动机各相绕组中电流的大小和比例，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一。细分驱动的基本思想是在每次输入脉冲时，不是将相绕组电流全部通入或者切除，而是只是改变相应绕组中额定电流的一部分，这样，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行角度也只有步距角的一部分。利用电流控制技术可以有效的实现步进电机的细分驱动。细分驱动器有效抑制了步进电机低频运行震荡，控制精度很高，是步进电机驱动器的发展方向。1.3步进电机驱动器国内、外的研究 细分驱动电路虽然可以使步距角减小到原来

9、整部运行角的几分之一至几十分之一，实际由于加工误差致使细分后的步距角精度并不高，但细分驱动能极大地改善步进电机运行的平稳性，提高匀速性，减轻甚至消除振荡。 近几年来，由于集成电子技术的发展，细分电路获得了广泛应用。 国外对步进电机的研究一直很活跃。目前，国外对步进电机的控制和驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片。结果大大缩小了驱动器的体积，明显提高了整体性能，比较典型的芯片有两类：一类芯片的核心是用硬件和微程序来保证步进电机实现合理的加减速过程，同时完成计长走步，正反转等。对于开环使用的步进电机，实现合理的加减速过程便可使其达到较高的运行频率而不失步或过冲。另一类芯片的核心是实现细分技术。

10、近年来， 国外许多厂商相继推出了多种步进电机控制与驱动芯片和多种不同功率等级的功率模块。仅由几个专用芯片和一个功率模块便可构成一个功能齐全、性能优异的步进电机驱动器。我国由于微电子技术、集成电路加工技术、电力电子技术水平的限制，目前情况下暂不能实现步进电机专用集成驱动芯片的设计和生产，所以，用集成加分立元件开发出适合我国国情的高性能驱动器是一个比较现实的做法。12 步进电机原理现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。

11、2.1 反应式步进电动机的工作原理反应式步进电动机的转子齿数基本上是由步距角的要求所决定，但是为了能实现“自动错位”，转子的齿数必须满足一定的条件，而不能是任意数值。当定子的相邻极为相邻相时，在某一极下若定、转子的齿对齐时，则要求在相邻极下的定、转子齿之间应错开转子齿距的1/m倍，即它们之间在空间位置上错开360/ m角。由此可得出这时转子齿数应符合下式条件 (2.1)式中 反应式步进电动机的定子极对数； m电机的相数； K正整数图2.1 三相步进电动机的展开图Figure 2.1 three-phase stepping motor launch figure从图2.1给出的步进电动机定、转

12、子展开图中可以看出：当A极面下的定、转子齿对齐时，B极和C极极面下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距，即3。 从图2.1中可以看到，若断开A相控制绕组而由B相控制绕组通电，这时电机中产生沿B极轴线方向的磁场。同理，在磁阻转矩的作用下，转子按顺时针方向转过3使定子B极面下的齿和轮子齿对齐，相应定子A极和C极面下的齿又分别和转子齿相错三分之一的转子齿距，依此，当控制绕组按A-B-C-A顺序循环通电。 转子就沿顺时针力向以每拍转过3的方式转动。若改变通电顺序，即按A-C-B-A顺序循序通电，转子便沿逆时针方向同样以每拍转过3的方式转动。此时为单三拍通电方式运行。采用三相单双六拍通电方式运行，即

13、按A-AB-B-BC-C-CA-A顺序循环通电，步距角也减小一半，即每拍转子仅转过1.5。由以上分析可知，步进电动机的步距角的大小足由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式所决定，它们之间存在以下关系 （2.2）式中通电状态系数，当采用单拍或双拍方式时，C1；而采用单、双拍方式时，C2。若步进电动机通电的脉冲频率为(即每秒的拍数或每秒的步数)， 则步进电动机的转速为 （2.3）反应式步进电动机是利用磁阻转矩使转子转动的，是我国目前使用最广泛的步进电动机型式。同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时的步距角也是不同的。采用单双拍通电方式时，步距角要比单拍通电方式时减小一半。在实际使用中，单三拍通电

14、方式由于在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕组开始断电容易造成失步，此外，由单一控制绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，故运行的稳定性较差，所以很少采用。通常将它改为“双三拍”通电方式。步进电动机除了做成三相外，也可以做成三相、四相、五相、六相或更多的相数。由式（2.2）可知，电机的相数和转子齿数越多，则步距角就越小，从式(2.3)又可知这种电机在脉冲频率定时转速也越低。但电机相数越多，相应电源就越复杂，造价也越高。所以，步进电动机一般最多做到六相，只有个别电机才做成更多相数的。2.2 矩角特性在不改变通电状态，即控制绕组电流不变时，步进电动机的静转矩与转子失调角的关系称为

15、矩角特性。静转矩的正方向取增大的方向，如图2.2所示。当一相通电，该极下定、转子齿正好对齐，即0时，静转矩T0；转子齿正对定子槽间，即时静转矩T=0。当0时，T为负值；0 T0 反应式步进电动机的静转矩可由电机的机电能量转换原理得出，静转矩的值可根据磁场储能求出。若不计电机磁路铁心部分磁场能变化的影响，一个定子磁极下气隙部分的磁共能与磁场储能W相等。为 = (2.4)当控制绕组电流I不变时，静转矩为 (2.5)式中电机转子的偏转角。也可以看成是定、转子齿中心线之间的夹角，用失调角来表示。则 ，为转子的齿数；将式（2.4）代入式(2.5)，并考虑到每相控制绕组是安放在相对的两个定子磁极下时，则

16、(2.6)电感 (2.7)式中 每极控制绕组的匝数； 定子每极气隙的磁导。将以上关系代入后，可得 （2.8）又每极控制绕组的磁势为。若忽略定、转子铁心中的磁位降，磁势即可认为是电机单边气隙的磁势，则。将它代入式(2.6)可得 （2.9）步进电动机中气隙磁导可用气隙比磁导来表示。是指电机单位铁心长度上一个齿距内定、转子之间的气隙磁导，则 （2.10）式中定子每极的齿数；电机铁心长度将式（2.10）代入式（2.9）后，可得 （2.11）气隙比磁导的大小和齿形、齿宽与齿距的比值，气隙与齿距的比值，以及齿部的饱和度有关。静转矩计算值的准确程度由值的准确程度决定。通常可将气隙比磁导以傅里叶级数来表示，即

17、 （2.12） 式中 气隙比磁导的平均值；气隙比磁导中次谐波的幅值。其中，及可从有关文献中查得。若略去气隙比磁导中高次谐波的影响，则式（2.12）可表示为 而 （2.13）式中气隙比磁导的最大值，即时的气隙比磁导值； 气隙比磁导的最小值，即时的气隙比磁导值。将式（2.12）代入式（2.11）可得出 （2.14） 式(2.14)表示了步进电动机的静转矩与失调角的关系，即矩角特性，如图2.3所示。理想的矩角特性是个正弦波形。 图2.3 步进电动机的矩角特性Figure 2.3 stepping motor torque Angle characteristics 由步进电动机的矩角特性可知,在静转

18、矩的作用下，转子有一定的稳定平衡位置。若电动机空载，则稳定平衡位置对应于处。而处则为不稳定平衡位置。在静态情况下，如受外力矩的作用使转子偏离它的稳定平衡位置，但没有超出相邻的不稳定平衡点。则在外力矩除去以后，电动机转子在静转矩作用下仍能回到原来的稳定平衡位置。所以二个不稳定平衡点之间的区域构成静稳定区，即，如图2.3所示。2.3 连续脉冲运行步进电动机实际运行时。外加脉冲频率在很大范围内变动。根据电动机运行性能的不同，可大致分为三个频率区段。第一是极低频段，它是指这样的频率，即每一脉冲的间隔时间长到足够使转子的振荡过程完全来得及衰减，转子可以处于新的稳定平衡位置。这种情况下，电动机的运行与加单

19、脉冲时没有什么区别，它总是能稳定运行。第二是高频段。它是指外加脉冲频率大于（起动频率）的频段。这时外加脉冲的间隔时间小于自由振荡周期的1/4、即加第一个脉冲后，电动机转子不仅没有出现振荡过程，而且还没有来得及达到新的稳定平衡点，第二个脉冲就紧接着加上去。第三是低频段，它是指极低频与高频之间的频段。（1） 起动频率步进电动机的起动频率是指它在一定负载转矩下能够不失步地起动的脉冲最高频率。它又可分为空载和负载两种情况。它的大小与电动机本身的参数、负载转矩及转动惯量的大小，以及电源条件等因素有关。它是步进电动机的一项重要技术指标。对于步进电动机起动时的物理过程，可作如下说明。（2） 参看图2.4a，

20、转子处于稳定平衡点，当外加第一个脉冲时，假如不计电路的时间常数的影响。电磁转矩值便如图2.4a中曲线“l”所示。在改变通电状态的瞬时，作用在转子上的电磁转矩为图中的线段，它使转子加速，沿图示的箭头方向即增大的方向，向新的稳定平衡点运动。电动机能否起动起来还要看第二、第三等脉冲连续作用叫的情况而定。经过一小段时间，再加上第二个脉冲，作用在转子上的转矩如图2-4b中曲线“2”的矩角特性所示。值的大小由脉冲频率决定。 （2.15） 因起动频率在高频范围内，在时间内转子来不及转过一个步距角。这时，仍可以分成两种不同的情况。a 脉冲频率相对来说不是太高 图2.4 起动过程的初始阶段Figure 2.4

21、start process of the initial stage 当第一脉冲经过时间后加入第二脉冲。在此瞬间若转子己达到图2.4b曲线“l”的b点。由于通电状态改变，作用在转子上的电磁转矩变为对应于曲线“2”上的点。电磁转矩的大小虽有改变，但仍为正向转矩，对转子继续产生正向的加速度，并使它向新的稳定平衡位置运动，所以，只要第一拍末转子所达到的位置b点处于其动稳定区de范围内。就能保让电动机在第二拍过程中不致失步。这一关系同样适用于电机起动过程的任何拍，并由此判断它是否失步。以上仅表明电动机从第一拍转到第二拍时没有失步，但电动机能否最终起动起来，还要看第3、4等脉冲作用的情况。实际上，考察步

22、进电动机的起动过程与电动机能否起动，只需分析拍就够了。b 脉冲频率相当高当转子在第一拍末加入第二脉冲的瞬间仅到达图2-4b中曲线“1”上的c点。由于通电状态改变，作用在转子上的电磁转矩变为对应于曲线“2”上的点时因电磁转矩为负，便使电动机减速。若转子转速减至零时，它尚未进入其动稳定区开始向相反方向运动，这就再也不能达到所要求的新的稳定平衡位置，电动机失步了。与一般同步电动机牵入同步的过程有些类似，是由同步转矩来起动的。同时，还可以由此分析影响步进电动机起动的有关因素。（1）当脉冲持续时间小到某一数值，转子还来不及运动到动稳定区，这时通电状态改变，使电动机减速，直到转速为零时，转子仍未能进入动稳

23、定区它就要失步。按能起动的最短的脉冲间隔时间便可决定电动机的起动频率，则= (2.16)（2）起动频率的大小与电动机的步距角有关。因此，电机的相数及运行的拍数越多, 步距角就越小，使裕量角越大，进入动稳定区越容易，相应电机的起动频率也就越高。（3）电动机的最大静转矩值越大，相应地作用于电机转子上的电磁转矩也越大，使加速度越大，转子达到动稳定区所需时间就越短，故起动频率越高。（4）转子齿数增多，步距角就减小，起动频率也随之增高。（5）电机转动部分的转动惯量(包括转子本身及负载)越小，同样的电磁转矩下产生的角加速度就越大，容易进入动稳定区，相应起动频率也越高。（6）负载转矩增大时，使作用在转子的加

24、速转矩减小，起动频率也将降低。（7）电路时间常数增大时，控制绕组中电流上升速度变慢，将使电磁转矩变小，起动频率也所降低。（8）电机的内部或外部阻尼转矩增大时，相当于负载转矩有所增加，相应地使起动频率降低。总之，步进电动机有定的起动频率，它的大小取决于电机的相数、通电方式、最大静转矩及矩角持件的波形、控制绕组电路的时间常数和电流波形、负载转矩和电机转动部分的转动惯量。以及电机的内部或外部阻尼的大小等。对于定的电动机，并在给定的驱动电源的情况下，起动频率主要与负载转矩及转动惯量的大小有关。3 步进电机细分驱动3.1 电源功放级 驱动电源性能的好坏与可靠性在很大程度上与末级功放所用的功率组件直接相关

25、。 最初使用的末级功放组件是可控硅。 可控硅是一种脉冲触发的开关器件，它突出的优点是输入功率小、输出功率太、耐压高、成本低。在七十年代由于国内大功率高低压晶体管较少，所以用可控硅为功率器件的驱动器曾一度占据主流。但是，可控硅虽然触发简单，但关断困难。总的来看线路复杂，容易形成误触发、可靠性差、不便于调试和维护、抗干扰能力不好，近年来随着大功率晶体管的发展一般不再采用。晶体管具有控制方便、调试容易、开关速度快以及组件损耗小等优点，并且由于采用先进的设计，晶体管的开关特性和耐压过流能力有了相当大的改进，因而近几年国内外绝大多数的驱动电源使用晶体三极管作为末级功放组件。近年来，由于V形槽金属氧化物半

26、导体场效应晶体管(VMOSFET)综合了大功率双极晶体管和场效应晶体管的优点，具有大功率、高耐压、高增益的特点，且没有少数载流子存储时间和温度失控，并有显著的抑制二次击穿特性，因而使用它可大大提高驱动电源的可靠性，随着成本的降低及使用经验的积累，越来越多的驱动电源将会使用MOSFET作为末级功放组件。3.2驱动电源的分类步进电动机的驱动电源有多种形式，相应它的分类方法也很多。若按配套的步进电动机容量大小来分，有功率步进电动机驱动电源和伺服步进电动机驱动电源两类。 按电源输出脉冲的极性来分，有单向脉冲电源和正、负双极性脉冲电源两种，后者是作为永磁步进电动机或感应式永磁步进电动机的驱动源。 按供出

27、电脉冲的功率元件来分，有晶体管驱动电源、高频晶闸管驱动电源和可关断晶闸管驱动电源三种。 按脉冲的供电方式来分，有单一电压型电源；高、低压切换型电源；斩波恒流驱动电源；细分电路电源等。 单一电压型电源是最简单的驱动电源，其原理如图3.1所示。当信号脉冲输入时，晶体管导通，电容C在起始瞬间相当于将电阻R短接，使控制绕组电流迅速上升。当电流达到稳定状态后，利用串联电阻R来限流。在整个工作过程中只有一种电源供电。步进电动机的每相控制绕组只需要由一只功率元件供出电脉冲。这种线路特点是：结构简单，电阻R和控制绕组串联后可减小回路的时间常数，但由于电阻R上要消耗功率，引起电源的效率降低，用这种电源供电的步进

28、电动机其起动和运行频率都不会太高。图3.1 单一电压型驱动电源原理图 图3.2 高、低压切换型驱动电源Figure 3.1 single voltage type drive power principle diagramFigure 3.2 high and low voltage power supply switch type drive 高、低压切换型电源的原理如图3.2所示。步进电动机的每一相控制绕组需要有两只功率元件串联，它们分别由高压和低压两种不同的电源供电。高压供电是用来加速电流的上升速率，改善电流波形的前沿，而低压是用来维持稳定的电流值。低压电源中串联一个数值较小的电阻R，其

29、目的是为了调节控制绕组的电流值，使各相电流平衡。这种电源效率较高，起动和运行频率也比单一电压型电源要高，但由于这种驱动电路在低频时绕组通电周期长，绕组电流有较大的过冲，所以低频时电机的振动噪声较大，低频时共振现象依然存在。 斩波恒流驱动电源是性能较好，目前使用较多的一种驱动方式。其基本思想是：去论电机是在锁定状态还是在低频段或高频段运行，均使导通相绕组的电流保持额定值。图3.3是斩波恒流驱动电路的原理图。相绕组的通断由开关管VT1和VT2共同控制，VT2的发射极接一只小电阻R，电动机绕组的电流经这个电阻到地，小电阻的压降与电动机绕组电流成正比，所以这个电阻是电流采样电阻。 当为高电平时，VT1

30、和VT2两个开关管均导通，电源向绕组供电。由于绕组电感的作用，R上的电压逐渐升高，当超过给定电压的值时，比较器输出低电平，使与门输出低电平，VT1截至，电源被切断，绕组电流经VT2、R、VD2续流，采样电阻R的端电压随之下降。当采样电阻R上的电压小于给定电压时，比较器输出高电平，与门也输出高电平，VT1重新导通，电源又开始向绕组供电。如此反复，绕组的电流就稳定在由给定电压所决定的数值上。 当控制脉冲变为低电平时，VT1和VT2两个开关管均截至，绕组中的电流经二极管VD1、电源和二极管VD2放电，电流迅速下降。控制脉冲、VT1的基极电位及绕组电流的波形如图34所示。在VT2导电期间内，电源以脉冲

31、式供电，所以这种驱动电源具有较高的效率。由于在斩波驱动下绕组电流恒定，电机的输出转矩均匀。这种驱动电路的另一个优点是能够有效地抑制共振，因为电机共振的基本原因是能量过剩，而斩波恒流驱动的输入能量是随着绕组电流的变化自动调节的，可以有效地防止能量积聚。但是，由于电流波形为锯齿形，这种驱动方式会产生较大的电磁噪声。图3.3 斩波恒流驱动电路的原理图Figure 3.3 chopped constant current drive circuit principle diagram图3.4 斩波恒流控制的电流波形Figure 3.4 chopped constant current control

32、of the current waveform图3.5阶梯波形电流图3Figure 3.5 ladder wave current figure 细分电路电源是使步进电动机的步距角减小，从而使步进运动变成近似的匀速运动的一种驱动电源。这样，步进电动机就能象伺服电动机一样平滑运转。为了减小步距角，单从电机本身来解决是有限度的，特别是小机座号的电机，于是设法从驱动电源上来解决。设法将原来的供电的矩形脉冲电流波改为阶梯波形电流，如图3-5所示。这样在输入电流的每一个阶梯时，电机的偏转角(即相应的步距角)减小，从而提高其运行的平滑性。这种供电方式就是细分电路驱动。从图3-5中可以看到，供给电机的电流是

33、由零经过五个均匀宽度和幅度的阶梯上升到稳定值。下降时，又是经过同样的阶梯从稳定值降至零。这可以使电机内形成一个基本上连续的旋转磁场，使电动机能基本上接近于平滑运转。细分电路电源，是先通过顺序脉冲形成器将各顺序脉冲依次放大，将这些脉冲电流在电机的控制绕组中进行叠加而形成阶梯波形电流,顺序脉冲形成器通常可以用移位形式的环形脉冲分配器来实现。3.2.1步进电机步距角细分的原理步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的数模转换器。它的工作原理是被励磁的定子电磁铁吸引可旋转的转子衔铁产生转距而旋转，步进电机是靠各相定子绕组轮流通电使之励磁而转动，将电磁能转变成机械角位移。当步进电机的定子绕组由一相通电变为

34、另一相通电时，转子就转过一个角度，这个角度就是步进电机的步距角。所谓步距角细分就是在步进电机绕组换相时，不是立即让其导通或截止。下面以三相六拍步进电机为例说明步进电机步距角二细分的原理,如图37 所示。当步进电机处在A 相通电时，转子在A-A 位置上，当由A相通电转为A、B 两相通电时，转子顺时针转过角,停在A 、B 两相之间的位置 处，由于转距与流过绕组的电流成正比，如果此时B 相绕组电流不是由0一次上升为额定电流，而是先达到，那么转子将不是顺时针转过至位置，而是转过停在位置 处；同理，当由A 、B 两相绕组通电变为B 相绕组通电时，如果A 相电流不是突然由额定电流降为0，而是由降为，则转子

35、将不是转到位置BB，而是转到位置 ， 从而将精度提高一倍，以上是步进电机二细分的原理。如果在上述过程中，定子绕组中的电流不是突然由0 变到，或由变为0，而是分十级逐步完成，即将B相绕组以相同的时间间隔按如下过程通电00.1Ie0.2Ie0.9IeIe，A 相绕组以相同的时间间隔按如下过程断电Ie0.9Ie 0.2Ie0.1Ie0，如此，步进电机就完成了十细分。由此可见，细分操作就是使步进电机各相电流有序的升级或降级，从而提高系统的控制精度。 图3.7 步进电机步矩角细分示意图Figure 3.7 step motor torque Angle subdivision schemes step

36、恒频斩波细分控制实际上是斩波恒流驱动电路的改进。在斩波恒流驱动电路中，绕组中电流的大小取决于比较器的给定电压，在工作中这个给定电压是一个恒定值。现在用一个阶梯电压来代替这个给定电压，就可以得到阶梯形电流波。恒频斩波细分驱动电路如图3.8所示，单片机是控制主体，它通过定时器T0输出20kHz的方波，送D触发器，作为恒频信号。同时，单片机将阶梯电压的数字信号输出到D/A转换器，作为控制信号。阶梯电压的每一次变化都使转子走一细分步。 恒频斩波细分电路工作原理如下：当D/A转换器的输出电压不变时，恒频信号CLK的上升沿使D触发器输出为高电平，使开关管VT1、VT2导通，绕组中的电流上升，取样电阻R2上

37、压降增加，当这个压降大于时，比较器输出低电平，使D触发器的输出 为低电平，VT1、VT2截止，绕组的电流下降。当R2 上的压降小于时，比较器输出高电平，D触发器又输出高电平，VT1、VT2导通，绕组中的电流重新上升。这样的过程反复进行，使绕组电流波形为锯齿波。因为CLK脉冲的频率较高，锯齿形波纹会很小。恒频脉冲CLK、阶梯波给定电压，VT1的控制电压和绕组电流的波形示意图如图3.9所示。图3.8恒频斩波细分驱动电路Figure 3.8constant frequency chopped subdivided driving circuit图3.9恒频斩波细分驱动的电流波形6Figure 3.9

38、 constant frequency chopped subdivided driving the current waveform4 硬件设计本文中，两相混合式步进电机细分驱动器的基本框图4-1，L297内部带有斩波恒流电路，绕组相电流峰值由Uref确定。当采用两片L297通过L298分别驱动步进电机的两绕组，且通过两个D/A转换器改变每相绕组的Uref时，即组成了步进电机细分驱动电路.图4.1步进电机细分驱动系统框图Figure 4.1 stepping motor subdivision driver system diagram 本设计采用单片机AT89S51来作为整个步进电机控制系

39、统的运动控制核心部件整个系统的组成包括单片机, 电机驱动模块,独立按键等模块组成。4.1 AT89C51引脚功能说明AT89C51的引脚结构图如图4.1所示，有双列直插封装（DIP）方式和方形封装方式，下面分别叙述这些引脚的功能3。图4.1 AT89C51引脚结构图Figure 4.1 AT89C51 pins structure （1）主电源引脚3。Vcc：电源端。GND：接地端。（2） 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2。XTAL1：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接受振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入

40、端4。XTAL2：接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。时钟产生产生和复位电路，时钟产生电路如图4.2所示，复位电路如图4.3时钟电路连接18端、19端。复位电路连接9端。片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz12MHz之间选取。C1、C2是反馈电容，其值在5pF30pF之间选取，典型值为30pF。本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。这样就确定了单片机的4个周期分别如下。振荡周期1/12S机器周期（SM）1

41、S指令周期14S图4.2 时钟产生电路Figure 4.2 clock produces circuit XTAL1和XTAL2：片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容。在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。即用来连接AT89C51片内OSC的定时反馈回路，如图4-3所示。石英晶振起振后要能在XTAL2线上

42、输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，OSC的输出时钟频率fOSC为0.5MHz-16MHz，典型值为12MHz或者11.0592MHz。电容C1和C2可以帮助起振，典型值为30pF，调节它们可以达到微调fOSC的目的5。图4.3为单片机复位电路。单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位后是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便可实现初始化状态复位。MCS-51单片机的RST

43、引脚是复位信号的输入端。例如：若MCS-51单片机时钟频率为12MHz，则复位脉冲宽度至少应该为2s6。图4.3 复位电路Figure 4.3 reset circuit 上图为上电复位和按键复位电路。上电瞬间，RST端的电位与Vcc相同，随着电容的逐步充电，RST端的电位逐渐下降，此时=2210-61103=22ms。当按下键时，RST端出现5100012004.2V，使单片机复位。（3）控制或与其它电源复用引脚RST，ALE/PROG，PSEN和EA/Vpp。RST：复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部存储器时，ALE（

44、地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的，然而要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对Flash编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。PSEN：程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的

45、读选通信号。当AT89C51由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次PSEN有效（即输出2个脉冲）。但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。EA/Vpp：外部访问允许端。要使CPU只访问外部存储器（地址为0000HFFFFH），则EA端外部必须保持低电平（接到GND端）。然而要注意的是：如果保密LB1被编程，复位时在内部会锁存EA端的状态7。当EA端保持高电平（接Vcc端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp(如果选用12V编程)。（4）输入/输出引脚P0.0P0.7，P1.0P1.7，P2.0P2.7，P3.0P3.78。（a）P0端口（P0.0P0.7）P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。作为输出端口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作为高阻抗输入端用。在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在Flash编程时，P0端口接受指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。（b）P1端口（P1.0P1.7）P1是一个带有内部上