李玲娟，刘景林，王灿（西北工业大学，陕西西安710072）

    摘要：分析了步进电机的脉宽调制式细分驱魂原理，针对二相混合式步进电动机，设计了一种基于at89c51单片机的pwm恒转矩可变细分驱动控制器，并详细阐述了软、硬件部分分的实现方法。实验结果表明，该系统细分精度高、运行平稳、噪声小、性价比高且非常实用。

    关键词：单片机；混合式步进电机；细分驱动；pwm

中图分类号：tm383.6  文献标识码：a  文章编号：1004 -7018( 2008) 09 -0031 -04

o引言

     混合式步进电动机集反应式和永磁式步进电动机的优点于一身，应用非常普遍。它不能简单地直接接到普通的交直流电源上运转，而需要专门的驱动器，在电机本体选定的情况下，控制器的好坏很大程度上影响着整个系统的运行性能。本文所设计的控制器以两相混合式步进电动机运行特性为出发点，以at89c51单片机和dac0832为核心，带多档位细分和恒流等功能。它与混合式步进电动机配套可以大大地改善步进电动机的运行性能，拓宽其应用领域，经济实用，通用性强。

     系统由单片机控制电路、细分电路、斩波恒流电路、驵动与功率电路、逻辑综合电路及保护电路组成。驱动器的控制核心采用at89 c51。at89c51通过对输入信号判断比较，输出存储器中给定电流波形的控制信号，信号经过dac0832和放大器转换为相应的模拟电压信号，该信号和电机绕组中的电流经过采样电阻转换成的电压信号进行比较，若反馈信号大于给定电压，电路将功放管截止，反之使功放管导通来驱动步进电动机。d/a输出不同的控制电压，绕组中流过不同的电流值。结构框图如图l所示。

     两相混合式步进电动机在低速运转时存在振动和噪声问题，这个缺点限制了它的应用领域。在电机本体既定的情况下，我们可以通过采用先进的控制技术来克服电机运行过程中的这个问题。实验表明，采用斩波恒流驱动技术，可以基本消除低频共振现象，采用细分驱动技术也可减小振动和噪声，并且还可以提高电机的运转精度。

    在通常的步进电机驱动电路中，电机相绕组中通人的是方波信号，电流是跳变的。相应地就使得电机在运行时存在明显的步进感，步距角较大。而细分控制就是使绕组中通人的电流阶梯状上升或下降，这样在每次脉冲切换时，绕组电流并不是突变的。额定电流分成多少次切换，转子就以多少步来完成一个原有的步距角。

    本系统采用的是脉宽调制式细分控制，在图1中实际上cal环形分配器输出的相控制信号并不是阶梯波，而是脉宽调制信号( pwml，pwm信号占空比越大，平均电流越大，不同占空比pwm信号相当于相应幅值的阶梯波。pwm信号控制功放管工作于开关状态，调节功放管的导通时间，控制电机相绕组中平均电流的大小。微步距pwm信号发生电路的示意图如图2所示。

  

    单片机at89c51作为系统的主控单元，它接收外界按键给出的控制信号，包括细分档位、运行脉冲频率、正反转和起/停等信号，然后输出存储器中相应的细分电流控制信号，再经过d/a转换成模拟信号：

    存储器中的电流波形的数字信号是这样计算的：对于两相混合式步进电动机，要同时改变两相电流/i_a和/i_b的大小，使电流合成矢量等幅均匀旋转：所以细分控制函数采用下式：

 

       实际中根据电机运行所要求的****细分数n，在零到****相电流之间按正弦方式划分n个稳定的中间电流状态，将对应每个状态的二进制量化值存入e²prom中。余弦状态的量化值不需要另辟空间存储，它跟正弦值只是相位互差90度，通过软件即可实现。单片机主控单元和d/a转换电路图如图3所示。

    at89c51的1脚和2脚输出d相和b相的相序信号，la和/b的相序信号由d相和b相的相序信号在gal片中逻辑生成。3-6脚设定9个细分状态，包括整步、2、4、8、l6、32、64、128和256共9个细分状态，7脚设定电机的转动方向。13脚接收外部脉冲信号。a相和b相的8位输出数字量控制字送入dac0832进行数模转换。将单片机和d/a接口连成双缓冲模式。这里对dac0832在应用中说明几点：

    (1) dac0832是反极性输出，参考电平应为负电平才能得到正确的参考波形，这里为-5v。

    (2)由于dac0832是电流型输出，因此要用运放转化为电压型输出，此处用内部集成了两个运放的lm358来实现：

    (3)从dac0832出来的阶梯正弦波为单一的正半波。将给定电压信号波形设定为正弦函数****值的波形，这样就避免了对负电压的处理，简化控制过程。

     脉宽调制式细分控制思想已经在前面论述过，实现pwm斩波和恒流控制很关键。此处选用sc3525集成芯片实现：实际工作中，由于要对两相绕组的电流分别进行控制，所以采用两片sc3525，原理相同。在图4中只给出一片sc3525控制a相绕组的原理示意图。l脚输入的是a相绕组电流反馈回来经过放大后的电压信号，2脚输入的是d/a转换出来的给定电压信号。11脚和14脚输出两路占空比互补的pwm信号，当l脚反馈信号变大，占空比则变小，绕组的通电时间减短，绕组电流减小，反之，绕组电流增大。这样就使得绕组中的电流维持在一个恒定值附近，不会超出范围太大，实现恒流控制。

 

路图

    sc3525输出的斩波控制信号与单片机输出的相序控制信号在cal16v8中进行逻辑综合，经过uln2803反相放大后送人驱动芯片ir2110。采用可编程逻辑器件cal16v8实现步进电动机控制器的脉冲环形分配器，这给步进电动机的硬件控制设计带来极大的灵活性、可靠性和通用性。

    输入l1-8脚分别为：pwma1、pwma2、a、b、ac、bc、pwmbi和pwmb2，其中1、2、7和8脚是sc3525输出的斩波信号，3和4脚是单片机输出的相序控制信号，5和6脚是保护信号的输入。输出19 - 12脚分别为：t8、t7、t6、t5、t4、t3、t2和tl，这是八个mosfet的控制信号，也就是控制电机四相绕组a、/a、b和/b通断的信号。tl和t4控制a相，t2和t3控制/a相，t5和t8控制b相，t6和t7控制/b相。cal中的程序如下：

    系统采用h桥疆动，两片ir2110可以驱动一个桥的两个臂，系统用四个ir2110驱动两个h桥。两个h桥由八只高频v mos功率场效应晶体管irf540搭建而成。由cal片输出的八路信号经过处理送人ir2110的高端和低端输入脚再驱动irf540：每个功率管上都并有一只快恢复二极管，作为功率关断续流用，快恢复二极管选用2bfie( 400 v/l )。在每个功率桥的下端与地之间串连一个 0.1ω/3 w的电阻，用来采样绕组中的电流值。

     过流保护电路主要是对主功率电路进行保护，过流保护电路图如图5所示。从绕组中采样得到的两路电流信号（如图5中的com1和com2）经过处理后，进入lm358的比较端进行放大。为了保证a、b两相电路的对称性，采用数字电位器x9c503和按键配合使用来确保a、b两相电压放大倍数相同。放大后的电压（图5中的feedb1和feedb2）和给定电压（图5中的vrefoutl和vrefout2）进行比较得到保护信号ac和bc。当主回路电流高过一定值之后，保护电路输出高电平，该电平信号被送至gal片，当保护信号为高电平时，由上述所列逻辑关系式可看出，逻辑电路输出的八路信号全部被置为离电平，这八路信号再经过uln2803反相放大后被置为低电平控制ir2110，这样ir2110被封锁，电机停止运行，实现保护目的。

 

    本控制系统软件的主要工作是大量的对硬件进行操作，程序相对较小，运算量也不大，所以采用汇编语言很方便：首先要根据****细分数256造一个数据表，共256个数据项，其中执行细分子程序时，256、128、64、32、16、8、4、2和整步的电流数据表可以做成一个表，即都用256细分的电流数据表，只是每次指针加减的位数不同罢了，这样可以有效节省

程序空间.不同细分状态下只有查表的偏移量不同，不同转动方向也是查表方向不同而已：主程序流程图如图6所示，细分子程序如图7所示.

    图6主程序流程图编程中关键的三点：  

    (1)做好电流数据表后，根据调试结果和经验要修改表中的某些值使其波形更接近于正弦波。

    (2)根据外部按键输入值来确定细分状态，从而确定查表偏移量。

    (3)根据外部按键输入值来确定转动方向，对指针指向表首和表尾的情况要进行特殊处理使其可以循环查找。

 

    在步进电动机一相绕组中串联一个小阻值电阻，用示波器测得此电阻两端的电压波形即代表电机一相绕组的电流波形。不细分和256细分实测波形图分别如图8和图9所示。可以看到，不细分时相绕组电流波形是方波，细分时是正弦波。试验结果还表明，细分数越大，相绕组电流波形越接近正弦曲线且越平滑。试验结果和理论计算保持一致；限于篇幅，其它图形不再列出。

  本文提出并介绍了基于at89c51单片机控制的斩波恒流均匀细分驱动方案及实现技术，****细分数为256，在此基础上改变程序和提高d/a转换的位数就可以增加细分数，控制灵活，为实现无限细分驱动以及构成高精度步进电动机伺服系统提供了基础。通过按键设定电机的运行模式，用户只需通过外壳上的控制按钮设定控制命令，简单实用。整个系统电路性价比高、通用性强，适用于各种步进电动机。通过测试，所设计的驱动器用于驱动额定电压15 -50 v、额定电流6a以下的二相混合式步进电动机，具有良好效果。