摘   要  设计了一种用于经济翌-数控的通用型步进电机微步驱动系统，该系统由一片8031单片机作为CPU，可以用于额定电流3A以下的三相、四相、五相反应式步进电动机的微步驱动。由于其灵活的软硬件设计，系统可以方便地用于脉冲驱动、RS232接口、CTD总线接口等场合。文中着重介绍了系统的软硬件设计。

    叙  词  步进电动机微步驱动通用软硬件设计

    步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移和线位移的执行元件，由于其具有步距准确、可开环控制、便于数字控制等优点，广泛用在各种执行机构上，也是经济型数控机床中最常采用的执行元件之一[1]。步进电机的性能与其驱动电路密切相关，为了提高步进电机的步进分辨率，微步驱动是十分有效的措施[z]。另外，采用步进电机微步驱动，可以用机械直拖，省去了中间传动环节，不仅使进给精度得到保证，也使得进给系统的频率响应大大提高。随着数控技术的发展，微步驱动技术不断得到完善，出现了多种驱动器。但是，目前国内的微步驱动器往往是针对某一种类步进电机独立设计的，通用性较差，国外的通用驱动器价格又比较昂贵，而且对外接口单一，通常只有RS232接口[3]。因此，研制一种通用的驱动系统很有必要。这种驱动器应具有以下几个特征：驱动电路性能良好，功耗低、效率高、体积小；通用性好，驱动器应具有一定的智能控制功能，不需硬件改劫就能驱动多种步进电机；接口多，除了能接收脉冲信号外，还应有RS232等多种接口，以便和其它系统通讯，使其不但是一个独立的驱动器，而且是一个智能驱动模块。

    本文利用脉宽调制电流控制技术和单片机技术设计了通用驱动器，满足了上述要求。文中对驱动器的软硬件设计作了详细介绍。

   整个硬件结构如图1所示，它包括控制通用型步进电动机微步驱动系统电路、驱动电路和接口电路三个部分，设计电路时，严格按照STD模板尺寸设计。

 

    控制电路主要由单片机最小系统、译码器、微动开关、DlA转换和环分电路组成。微动开关与单片机8031的Pl口相连，用于不同场合的步进电机相数设置、细分数设置以及不同连接接口的设置。8031单片机系统是控制电路的核心，用于不同需要的软件以子程序或中断服务程序存储于程序存储器中。执行步进命令时，单片机把电机电流对应的数字量输入到D/A转换器的数据端口，D/A转换器的模拟输出量经环分电路输送给驱动电路。DlA转换器可根据转换精度的需要选择8位的DAC0832或12位的DAC12 30，只要改变相应的软件即可。

    驱动电路采用脉宽调制技术实现微步驱动中各相平均电流的控制，脉宽调制由专用集成芯片TL494完成，简化了电路的设计，而且电路的可靠性和抗干扰能力都大大提高。脉宽调制后的电流控制信号变成不同脉冲宽度同频率的一系列脉冲串，这些脉冲串与功放电路的输入相连，控制功放管的导通和关断。在控制不同相屯流时，功放管始终工作于开关状态，发热少，省去了散热装置，减小了驱动电路的体积，这是功放管工作于放大状态时所不能做到的。最末一级功放管采用VMOS管，它是一种电压型驱动元件，对驱动电流的要求很低，但是考虑到其栅源间的电容，在它的输入级前又增加了一级推挽驱动，使驱动脉冲的上升沿和下降沿都很陡，功放管的导通和关断过渡时间更短，进一步降低了功率损耗。对于不同额定电流的步进电机，反馈信号的放大倍数可以调整，实践表明，所设计的驱动电路对于额定电流小于3A以下的反应式步进电机都是适用的。

    接口电路的多样性使系统的适应性更强。在系统设计中，除了用单片机的P3,3、P3.4作为系统的脉冲驱动接口外，还应用1488、1489扩展了RS232接口，应用两片数据锁存器扩展了STD总线接口，这主要是出于系统用在多轴联动控制时的考虑。另外，硬件中还用555设计了脉冲发生器，使系统可以独立地用于步进电机不同速度下的转动。

    软件设计是本系统适应性强的关键。本设计的突出特点是用同一电路，不用改变硬件连线，只要设计不同的控制软件，就可以方便灵活地实现多种控制方案，图2是系统的软件总体结构简图。

    在设计中考虑了系统可以用于多种步进电机的特点，因此可以用于驱动三相、四相、五相反应式步进电机。如果要求微步驱动的步距角是均匀的，对于不同相数的步进电机，即使额定电流相同，驱动电流的波形也是不一样的。要实现一个驱动器用于不同电流波形的驱动，对于硬件电路是很难实现的，而对于软件就容易得多，只需将离散的不同电流波形存储于程序存储器的不同区域，8031的CPU使用时正确调用即可。另外，对于不同相数的步进电机，环行分配器也是不同的，这也靠软件环分实现，不同的环分表以表格数据存储于程序存储器中，在初始化时根据需要调入内存，在程序中控制模拟开关的选通信号。如驱动四相反应式步进电机时，两片D/A转换器输出波形如图3所示，对应的选通信号分别是001和010，oV模拟信号所对应的选通信号为000，相应的环形分配表就是表1的形式。电机绕组产生如图4所示的微步驱动电流波形。系统和外部的信息交换更加灵活多样，尤其是STD总线接口，被定义地址后，外部可以通过不同的命令，控制系统的动作。

   在STD总线通讯方式时；外部命令向本系统8031的CPU申请中断，系统命令的执行靠中断服务程序完成。系统接到中断申请后，先向外部发出响应口令。然后，系统针对不同命令执行相应的操作，再向外部发出相应口令。系统针对不同命令执行相应的操作，再向外部发出相应口令，通知外部。图5给出了与外界通讯的软件框图。系统的8031本身具有串行通讯的能力，与RS232的连按很简单，虽然串行通讯相对较慢，但系统用于多轴联动控制时，与微机可采用这种方式通讯，软件中命令的执行与STD总线通讯方式相似。表1微步驱动的环形分配表  

      从硬件电路的介绍中可知，在使用前可以通过微动开关设置不同的微步距。但在一些应用场合，步距角实时可变是必要的。如在电火花加工伺服控制中，精密加工时，进给速度慢，放电间隙小，为了正确地跟踪放电间隙、稳定加工，要求进给步距角小；而在空载进给或短路回退时，步距角应该较大，节省时间。由于系统有多种通讯方式，步距角的改变就简单了，只要定义改变步距角的命令即可。系统用DAC0832作DlA转换器时，考虑转换误差，可以40细分，变步距后可以增加20、10、8、5、4、2、1七种细分数设置，如果细分数更多或精度更高，可选用DAC1230代替DAC0832。

    实践表明，系统通用性强、可靠性好、安全性强。