摘要：介绍了一种应用于混合式步进电机的控制系统，该系统以二相混合式步进电动机的静态和动态运行特性为出发点，主要由控制电路、逻辑合成电路、PWM波调制电路、功率驱动电路、过流保护电路和电流负反馈电路六部分组成。本系统以单片机AT89 C51为控制核心，实现正／反转运行、过流保护和电流负反馈功能。针对步进电机随着频率升高带载能力下降的特点，系统通过采用过流保护和电流截止负反馈等措施后，使系统的带载能力有所提高。

关键词：步进电机；单片机；电流截止负反馈

中图分类号：TM383. 5    文献标志码：A    文章编号：1001-6848(2010)07-0061-03

  本系统采用单片机、PWM专用芯片和可编程逻辑芯片，结构简单，成本低廉，有过流保护电路和电流负反馈电路保证运行的安全，提高了系统的矩频特性。

    以往的恒流驱动方式的供电电压比电机额定电压高得多，使绕组电流上升和衰减速度很快，通过斩波方式使电机绕组电流在低速到高速运行范围内保持恒电流，从而保持电机输出转矩恒定。

  但是存在一些缺点：线路较复杂、低速运行时绕组电流冲击大，使低频产生振荡，运行不平稳，噪声大、定位精度没有提高等。

    本文中系统的特征：由于使用了电流反馈，绕组电流可以恒定，且不随电机的转速而变化，从而保证在很大的频率范围内电机都能输出恒定的转矩，本泵统是针对两相混合式步进电机所设计，可在宽电压范围内对步进电机进行驱动和控制。

  系统由六个部分组成：控制电路、逻辑合成电路、PWM波调制电路、功率驱动电路、过流保护电路和电流负反馈电路。系统框图如图1所示。系统接受外部信号之后单片机输出四路控制信号，这四路信号和SG3525输出的两路PWM波，经过GAI20V8组合，来控制各功率管的开通与关断。

    控制电路主要由单片机AT89C2051构成。控制电路接受外部正／反转、脉冲信号、4/8拍切换和过流保护信号经过光电隔离后分别输入至单片机的P3．O、P3. 3、P3.1、P3.2口，经过处理输出A、／A、B、/B 4路信号。其中A和/A代表A相绕组正端和负端功率桥控制信号，B和代表B相绕组正端和负端功率桥控制信号。

    逻辑合成电路主要由GAL20V8B组成，它将PWM波调制电路输出的两路互补的PWM信号与控制电路产生的控制信号综合处理，产生8路H桥控制信号。由逻辑合成电路产生的八路信号经由反相器输入至功率驱动电路中由八个MOSFET组成的两个H桥。控制电路和逻辑合成电路的框图如图2所示。

   

    PWM波调制电路采用集成脉宽调制器( SC3525)实现斩波电流信号的生成t，工作时的斩波频率和死区大小由接于5、6、7引脚上的Ct、Rt和Rd共同决定，等式为：f= 1/Ct（0.7Rt+ 3Rd）。通过调节2脚（同相输入端）上的电位计Pl来调节PWM波的占空比，从而输出两路互补的单极性PWM信号。其电路构成如图3所示。

    功率驱动电路由四片IR2110驱动芯片，和由这四片IR2110驱动芯片驱动由8只高频CMOS功率场效应晶体管组成的两个H功率桥构成。由逻辑合成电路输入的八路控制信号分别控制8只CMOS管的开通和关断，输出的四路信号分别接到两相混合式步进电机的两套绕组的正负端，实现两相混合式步进电机的四种模式：正转整步运行、正转半步运行、反转整步运行和反转半步运行。

   

    过流保护电路主要由运算放大器和电压比较器构成，如图4所示。由采样电阻得来绕组上的信号，经放大然后跟标准电压进行比较，若绕组上电压过高则停止系统工作。至单片机的6脚。

    过流保护电路的具体工作过程是：采样电阻将流经绕组中的电流转换为电压量U送人运算放大器，运算放大器将输入信号进行放大并输出，输出电压为U0- (1+ RI／R2)×Ui，再将已放大的信号送给电压比较器。电压比较器反向端与地之间接一稳压管(+5 V)，U。与该5 V电压相比较，若Uo>5v，电压比较器的输出为高，发生过流；若Ui<5v，则电压比较器输出为低电平，工作正常。此保护信号送人控制电路中的单片机的过流保护信号脚(P3 2)。

    步进电机运行时，当频率升高导致相绕组中的感抗增大，从而增大了相绕组的阻抗值，频率升高代表速度也提高了，速度提高则致使反电势增大，这些因素综合起来导致了相电流的减小，这就导致带电流带负载的能力下降。因此，需要增大PWM波的占空比来保持相电流在一个稳定的值。电流负反馈电路就是达到一种自动调节PWM占空比的目的。电流负反馈电路将采样电阻上采样来的电压值经过运算放大器放大然后输入到SG3525的1脚上，通过其内部的一个差分放大器与2脚上的值进行比较，从而产生PWM波。当l、2脚上的电压差别越大输出的PWM波占空比就越大，使相电流上升，从而就达到了是相电流保持恒定的目的。

    由于利用了SC3525内部的差分放大器，相较其他电流负反馈电路而言更加简单。

    本控制系统的程序流程图如图5所示，左边为主程序流程图，右边为中断服务程序流程图。采用汇编语言编写。主程序主要完成的内容：系统参数初始化、判断保护信号、打开中断启动电机。如图5可看出，主程序是一个死循环，在系统上电初始化完毕后，系统一直在不断的执行这个循环程序，一直是等待外部中断，当外部中断信号出现时，进入中断子程序，经过查表，输出正确的控制信号。软件的大致流程为：在读取外部控制信号之后先判断四／八拍信号，用于决定要查的数据表，接下来判断正／反转信号，用于决定指针指问数据表的位置。然后决定从数据表的某些位置开始读取数据。

   

  本系统采用软件实现的环形脉冲分配器6-71，就是根据步进电机工作状态的要求，将步进电机的各种工作“状态字”，依次通过单片机的Pl口，在各步序之间动作与功能要求相适应的延时处理之后，由Pl口直接输出环形分配器的脉冲波形。所谓“状态字”是指步进电机在各个步序（或节拍）中，其导通相为“1”的16进制数，例如步进电机旋转的第一

步为A相和B相通电，则其工作状态为1010，十六进制表示为OAH，这就代表AB工作状态时的状态字为OAH。把所有工作状态的状态字都储存起来，然后根据外部的信号调用。

    下面是带负载实验的数据：表1是带电流反馈自动调节和不带电流反馈时电流和带负载（砝码）的对比。图6所示的曲线是带电流反馈和不带电流反馈时在驱动同一台步进电机时，此电机的矩频特性（均运行在半步状态）。横坐标为频率（取值同表1），纵坐标为转矩值，三角形标注的曲线为不带电流反馈矩频特性关系曲线，正方形标注的曲线为带电流反馈时的矩频特眭关系曲线。图7、图8为相电压波形图。

4结论  

    从数据可以看出，带载能力有所增强，而且是实时调节相电流，与传统的恒流斩波相比较，把过流保护环节和电流负反馈环节分开实现，使其独立工作，一旦发生过流时，直接给单片机发出保护信号，单片机则将四路输出全变低，这样能确切保证电机安全。本系统采用软件环形分配器，增强了驱动系统的适应，仅需更换不同的程序即可适应各种步进电机的脉冲分配需求，无需大范围更改硬件电路，因而具有极大的灵活。而电流负反馈部分使得系统的带载自B力有所增强，矩频特性得到改善。