步進電機控制電路的實現方法

時間：2019-12-07 10:12

　　1. 摘要：步進電機又被稱為步進器，屬于感應電機的范疇，其能夠按照電磁學的原理將電能轉化為機械能。在現代數控系統中，步進電機是不可或缺的主要執行元件之一，步進電機借助電子電路，可將直流電變成分時供電、多相時序控制電流。在步進電機正常運行時，可以通過細分控制進一步提升電機穩定運行的頻率范圍，并增加分辨率、減小低頻振動及噪音、溫升和高頻失步[1-6]。

　　2. 步進電機的細分控制原理

　　步進電機細分控制的基本原理如下：根據細分數，將整步的步距角或是半步的步距角，劃分成為 n個步距角度，并保證均勻性，從而使電機能夠通過 n步轉過整步或半步的步距角。步進電機在工作時，可能會出現步距角無法滿足使用要求的情況，此時便可以利用細分控制的方法，將一個步距角細分為多步，在這一過程，步進電機 A 相和 B 相的電流大小會發生改變，合成磁場的夾角也會隨之發生變化，從而實現對步進電機的有效驅動，滿足具體的使用需求。由于兩相步進電機的性價比較高，配上細分驅動器之后效果良好，所以這種類型的步進電機應用最為廣泛，約占市場份額的 97% 以上。在兩相步進電機中，如果A、B 相繞組同時通電，那么轉子會停留在兩相磁極的中間位置處，當通電順序按照 8 個固定的狀態，周而復始地變化，電機會以順時針進行轉動，每次轉動的步進角均為 45o，轉動 8 次，達到 360o，即一周。通過細分控制，能夠使步進電機的轉動更加平穩。

　　3. 控制電路的實現方法

　　3.1 細分控制方式的選擇

　　目前，比較常見的異步電機細分控制實現方式有以下兩種，即 PWM 和 SPWM。

　　(1)脈沖寬度調制 PWM。這是一種模擬控制方式，具體是指按照載荷變化，對晶體管基極的偏置進行調制，從而改變晶體管的導通時間，實現開關穩壓電源輸出的改變，該方式最為突出的特點是能夠使電源的輸出電壓在工況變化時，保持恒定狀態，PWM 能夠利用對脈沖寬度的調制，達到等效獲取所需波形的目的。在電路中，PWM 可通過對脈沖占空比的改變，來獲得所需的輸出電壓。

　　(2)正弦脈寬調制 SPWM。根據正弦規律變化及正弦波等效的 PWM 波形，對脈沖寬度進行調制。SPWM 比較常見的實現方式有等面積法、軟件生成法、硬件調制法。

　　(3)方式選擇。通過對上述兩種實現方式的原理進行分析可知，SPWM 的計算過程相對比較煩瑣，從而使得所需的計算量比較大，計算所得的結果，會占用大量的內存空間。不僅如此，SPWM在實時控制方面的效果并不理想，因實現過程需要加入雜波信號，使整個控制系統的結構變得過于復雜化。PWM 具有原理簡單、易于控制和實現等

　　特點，控制電路的復雜程度不高，鑒于此，可選取PWM 作為步進電機細分控制電路的實現方式。

　　3.2 硬件電路的設計與實現

　　(1)系統架構。為實現步進電機細分控制，開發一套相對完善的細分控制系統，該系統的核心控制元件是微處理器，選用的是 STM32 系列產品，驅動芯片選用的是 TC1005，電流采樣通過下橋臂電阻實現，借助上位 PC 機與下位機之間的實時通信，完成步進電機的細分控制。

　　(2)控制與驅動單元。① 控制單元。本次設計中，選用的 STM32 微處理器芯片引腳數量為 144，為便于模塊化的實現，決定在布局時將 STM32 芯片與支持功能電路分開。具體做法如下：印制電路板整體布局，預留 I/O 接口，將晶振、復位以及 BAT 三個電路分開設計。步進電機細分控制系統在正常運行的過程中，如果電源因故掉電，則會對控制效果造成影響，為避免此類問題的發生，在細分控制系統設計中，加入備用供電，借此來提高系統的運行穩定性。

　?、?驅動單元。在本系統的設計中，驅動芯片選用的是 TC1005，其不但精度高，而且節能效果好，芯片本身自帶微步，最高能夠支持的細分數為 256，具有方向和 SPI 通信接口，通過對不同 MOS 管(金屬氧化物半導體場效應晶體管)的選擇，能夠對不同尺寸的兩相步進電機進行驅動。該芯片采用的是 LQFP 封裝，引腳數量為 32。

　　(3)電路設計。① 轉換電路。本次設計開發的細分控制系統主要針對的是二相步進電機，由于此類電機的工作方式為雙極性驅動，所以在驅動硬件設計時，加入 H 橋功率轉換電路，解決電機雙向電流流通的問題。對于二相步進電機而言，需要兩個 H 橋，通常情況下，4 個開關管能夠構成一個 H 橋，2 個 H橋需要 8 個開關管，由于本次設計開發的細分控制系統采用的是雙通道芯片，所以只要 4 個芯片，便能構成 2 個 H 橋。同時為使采樣電阻能夠對來自金屬氧化物半導體場效晶體管橋的尖峰值進行有效吸收，應當選擇低感抗的電阻，并且不能與系統接地相連，以免造成電流串擾。因此，采用并接大電容的方法，對干擾問題進行抑制，防止驅動芯片受損。② 電源電路。本次設計的硬件電路是利用 24 V 開關電源為細分控制系統進行供電，本系統需要三個等級的電壓，即 3.3 V、5 V 和 24 V，所以在對電源電路進行設計的過程中，可以通過穩壓電路，將 24 V 電壓轉換為5 V 和 3.3 V 電壓。為確保電壓的順利轉換，在設計中加入開關型穩壓器件，借助該穩壓器件，可將 24 V

　　電壓穩壓至 5 V。此外，系統控制單元的 STM32 芯片需要 3.3 V 電壓，對此可選用 AMS117 系列穩壓器件，將 5 V 電壓穩壓至 3.3 V。之所以選用 AMS117系列穩壓器件，除了因為其性價比高之外，該器件內部集成過熱保護和限流線路，這樣能夠使電平轉換的穩定性獲得進一步提升。③ 隔離電路。步進電機是憑借電磁學的原理，實現電能與機械能的轉換，也就是說，步進電機本身具有電磁特性，這個特性會對細分控制電路產生電磁干擾。因此，在設計中，采用光電隔離電路，將控制單元中的 STM32 芯片，與驅動單元中的 TC1005 芯片隔離開。該電路最為突出的作用是隔離輸入/輸出電信號，如步進脈沖信號、方向信號等。④ 接口電路。在本系統的設計中，控制板與上位 PC 機之間的通信是通過 USB 接口來實現，這樣能夠使上位 PC 機對步進電機的運行進行智能調控。對接口電路進行設計時，選用 CH340G，這是一個 USB 總線轉接芯片，它在印制電路板上所占的面積比較小，且各方面性能均可以滿足細分控制系統的需求，并不會發生丟失數據等情況。

　　(4)抗干擾設計。在系統硬件電路設計中，抗干擾是必須重點考慮的問題之一，只有避免干擾，才能確保系統的運行穩定性，也才能使其作用得以最大限度地發揮。本次設計開發的細分控制系統的硬件電路包括轉換電路、H 橋電路等等，它們之間不可避免地會產生高頻干擾。不僅如此，二相步進電機以感性負載為主，電機運行時，還會產生電磁干擾，所以必須在設計時，采取有效的防干擾措施。本次設計采用隔離與濾波技術對干擾問題進行解決。

　　3.3 細分程序設計

　　在本次設計中，硬件電路是細分控制得以實現的基礎，而軟件程序則是細分的關鍵之所在。具體設計中，步進電機步距角的細分數可通過給定初始值的方法進行設定，當驅動電路中，輸入一個步距脈沖后，程序便會相應輸出一個正弦函數值，對該布局脈沖進行細分，并將細分之后的脈沖，作為電機繞組的驅動電流。

　　4. 結語

　　為提高步進電機的運行穩定性，降低各種問題的發生概率，可對細分控制技術進行運用。具體應用時，可將硬件電路的實現作為重點環節。通過系統對步進電機實現細分后，能夠使步距精度及分辨率得到顯著提高，從而滿足不同場合的使用需要。

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