步进电机细分控制的单片机实现

郑宇

【摘 要】步进电机是机电一体化执行元件的重要产品之一，由于其易于精确控制的良好性能而受到广泛的应用。根据步进电机细分控制的原理，提出了由D／A转换模块配合单片机控制来实现细分控制的方法，为提高步进电机的控制精度提供了一种可行的参考方案。%Stepmotor is the integration of mechanical and electrical actuator is one of the important products, because of its easy and accurate control of good performance and has been widely applied. According to the stepmotor microstepping dmos control principle, put forward by D / A conversion module with single-chip computer control to achieve the microstepping dmos control method, in order to improve the control accuracy of the stepmotor to provide a feasible reference plan. 【期刊名称】《贵州师范大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2012(030)002 【总页数】4页(P106-109)

【关键词】步进电机;细分控制;单片机 【作 者】郑宇

【作者单位】贵州师范大学机械与电气工程学院,贵州贵阳550014 【正文语种】中 文 【中图分类】TM301.2

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一。步进电机和普通电动机的不同之处在于它是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。由于步进电机每个控制脉冲所运转的角度都是固定的，结合传动轮半径就能计算实现距离的控制，所以步进电机不仅用作角位移的控制，同样也常用于需要精确控制运行距离的场合。在很多老式的控制系统中，步进电机的控制都是用固定大小的脉冲来控制的，控制精度通常不高。在旧设备上拆下来的步进电机更需要重新设计驱动器以做它用。对于步进电机的控制要求，也越来越多地出现了精确控制及运行平滑的要求。这些都需要能满足较高控制精度需求的驱动器。而步进电机的细分控制就成为了这些改造和设计的最佳选择方案［1］。

以图1四相反应式步进电机为例，只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。

开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相 绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。

当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和 A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动［2］。 四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍3种工作方式。图2是3种方式的控制波形图，单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。如果在不改变相数的情况下，还能实现更加精确的步距角度控制吗?这个就是步进电机细分控制理论想要解决的问题。 我们以二相步进电机为例，我们按照图3上所示的8个状态周而复始进行变化，

电机就顺时针转动，每转动一步，为45°，8个脉冲电机转一周。其中，当A相和B相同时通电时，AB相的合力刚好使转子在45°平衡，这是因为AB相的电流大小一样大，产生的合力正好在45°获得平衡。那么，如果改变AB相电流的大小，让它们在两相夹角范围内产生几个不同的平衡位置，就可以不用改变相数的情况下，在两相的夹角间实现细分转动角的控制［3］，即图示的两相步进电机也能实现8拍的控制。

该理论对两相步进电机的控制，可以实现1/2、1/4、1/8……1/256的细分，但是当细分数大于1/4之后，电机的定位精度并不能获得提高，只是使电动机的转动更加平稳［4］。

在控制对象是两相步进电机时，如果要进行细分控制，可以选择使用专用的细分控制芯片来进行设计，比如东芝公司生产的TA8435;美国Allegro MicroSystems公司生产的A3977系列细分转角精确控制芯片及其制成品。它能根据设定来生成指定细分数的两相电流控制信号，但是该方法只适用于两相步进电机，对四相步进电机就不能产生所需的四路电流值。

考虑到细分控制的关键是各相电流的变化不再是0和最大值的交替变化，而是此消彼长［5］。同时，对于四相步进电机而言，也不需要各相有反相电流的变化，采用单片机控制4个D/A转换器产生变化的模拟电流来控制四相线圈的交替接通，即可以实现在四相步进电机的控制基础上，提高电机的运转平稳度。本设计就采用STCC51配合4个D/A转换芯片DAC0832来完成对小型四相步进电机的控制。 系统的主要结构图如图4所示，整个系统主要利用DAC0832的双缓冲特性，将各DAC数模转换芯片的第一级锁存信号各自分配的地址线进行连接，方便单片机使能不同的地址线，将各自需转换的数字量送入各DAC芯片的第1级锁存器进行锁存。当4个DAC0832要转换输出的数字量都装入以后，同时使能连接在一起的第2级缓存信号，达到同时启动4个DAC数模转换器同时转换输出的目的。

由于D/A转换的特点:随着数字量的增加或减少，输出的电流Iout1值相应地增加或减少，就可以实现输出到步进电机各相电流大小的控制。在实验型四相小型步进电机的控制中，可以直接使用DAC0832的输出作为各相电流的输入信号。如果要用于控制大中型的步进电机，那么就需要进行输出信号的放大，以达到系统的需要，相关的放大电路这里就不再给出。

本设计使用的是STCC51单片机，编程软件环境为KEIL，用C51语言进行源程序的设计，采用STC-ISP专用下载程序将编译成功的HEX文件装载进单片机的手段来完成软件的设计及调试［6］。在细分控制的软件设计中，最重要的就是确定细分控制信号波形的数据，四相步进电机中，相邻两相电流按一个正弦变化，相邻一个余弦变化的关系，按π/(2*细分数)求正弦和余弦值来作为转换数据量的大小系数即可。如:A相系数按余弦从1—0，则B相正弦从0—1，此过程C\\D相系数都为0。某一相系数升到1后，改余弦来求系数，其下一相按正弦求系数，其余相保持为0。按上述过程可以按所需的细分数求出若干组数据。存放在STCC51的EEPROM里面，然后采用查表的方式来进行细分控制的软件设计［7］，查表部分的程序流程图如图5所示。

针对步进电机的细分控制进行分析研究，提出了采用 STCC51单片机作为主控芯片，通过DAC0832数模转换芯片构成转换电路，产生了4路可控大小的电流输出用以控制四相步进电机的方法。实现了四相步进电机的细分控制，使四相电机可以产生大于8拍的转角控制，在连续运行时更加平滑和稳定。能够在加深认识步进电机控制过程的基础上，理解步进电机的细分实现方法，并为四相步进电机的控制改造提供一种参考方案。在此基础上，完全可以实现更加精确和功能丰富的控制目的，进而使控制更加的灵活和方便。

【相关文献】

［1］邹丽新，朱桂荣.精密控制系统中步进电机的电细分技术研究［J］.电子技术应用，2005(5):39-41.

［2］许大中，贺益康.电机控制［M］.杭州:浙江大学出版社，2002.

［3］刘帅，祖静，张红艳.基于单片机的步进电机控制系统设计［J］.电子设计工程，2010(4):38-40.

［4］时念科，吴美莲.脉宽调制(PWM)实现步进电机的细分驱动技术［J］.硅谷，2011(17):49-51. ［5］孟武胜，李亮.基于ATC52单片机的步进电机控制系统设计［J］.测控技术，2006(11):25-27.

［6］张毅刚，彭喜源.MSC-51单片机应用设计［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2001. ［7］荣盘祥，何志军.步进电机数字控制系统设计［J］.电机与控制学报，2009(2):272-275.