基于单片机PWM功能的步进电动机细分设计

    景立群¹，李勇²，季学武¹

(1清华大学，北京100084；2．北京航空航天大学，北京100083)

    摘要：两相混合式步进电动机的步距角一般为1.8^。／O .9^。，为适应微小角度控制，需要对步进电动机步距角进行细分。基于单片机的PwM功能，设计了步进电动机驱动器；分析了步进电动机绕组电感对电流暂态效应的影响，通过编程实现步进电动机步距角24细分；设计了简易实验装置，并对硬件电路和程序进行试验验证。结果表明，所设计的驱动器及编写的控制程序可以实现步进电动机的细分驱动，且误差在可以接受的范围内。

    关键词：步进电动机；细分；PwM

    中图分类号：TM383．6  文献标识码：A  文章编号：：1004-7018(2008)08—0014—03

0引言  

    目前，常用计算机数字处理技术和数模转换技术，对步进电动机各相绕组电流进行脉宽调制(PwM)控制，获得按一定规律改变其幅值和方向的绕组电流，将步进电动机一个整步均分为若干个更细的微步，这种细分方法已经较成熟，但是硬件电路一般较复杂。实践中发现，可利用单片机的PwM功能产生变占空比信号，实现步进电动机细分控制，这种办法可以实现较准确的位置控制，省去了传统细分电路中的数模转换模块以及电流检测控制模块，只是在程序算法上比较复杂，需要做较多的调试工作。

    本文基于设计一个简单的步进电动机控制器，首先分析了步进电动机的细分原理，然后将步进电动机的绕组线圈等效为串联的电感和电阻，通过暂态效应分析，得出线圈上作用的一定占空比的电压信号与电机线圈中电流的关系。利用这个关系，对电机线圈加以一定占空比的信号，使步进电动机的线圈电流矢量产生一定顺序的微转动，实现步进电动机的细分。最后通过制作简易试验装置验证细分的效果，结果表明步距角误差在可接受的范围内。

1控制电路的组成

    图l为所设计的步进电动机控制系统示意图。由单片机发出控制信号，经电机驱动芯片L293处理后直接控制两相混合式步进电动机。图中A、B两个端口用PwM口控制，输入一定占空比的电压波形；A-、B-两个端口用i／O口控制，输人高低电平。

可见，硬件控制电路中投有数模转换及细分驱动芯片，节约了成本。

2工作原理及控制策略

    软件实现步进电动机细分驱动的工作原理是通过控制步进电动机各相绕组的电流，使其在零到****值之间有多个稳定的中间状态，从而使相应的磁场矢量方向和幅值都有一系列稳定的中间状态，使得电机中的转矩产生一系列与磁场矢量方向对应的中间态。据此，通过单片机控制各相绕组电流可实现转矩方向的离散变化，从而实现步距角的细分。

    按上述分析，为使线圈中合成电流近似按正弦规律变化，设计步进电动机四个端口的电压波形如2a所示，两相绕组的合成电压波形(为绘图清晰，以五细分为例)如图2b所示。如果能够确定两相绕组电流和A、B两端口占空比的关系，就能通过程序对步进电动机进行可控的细分控制。

    下面从理论上分析占空比与电流的对应关系。电机的每相绕组可以等效为电阻和电感的串联组合。驱动芯片1293的内部相当于两个H桥^[2]，每个H桥控制电机的一个绕组。H桥和绕组连接后的等效电路如图3所示，其中A1、A2由A端口控制，Al与A端口电平相同，d2与4l反相；_4-l、4—2由

A-端口控制，A一1与4端口电平相同，A一2与A一1反相。以下取图2中的2(1、2、4、7分析方法一致)状态进行分析，3(3、5、6、8分析方法一致)状态分析方法与此类似。2状态下，d端口为一定占空比变化的波形，A一端口始终为低。设在t∈[O，αT]，A1、A-2为高电平，三极管导通v_l、v₄导通，绕组中电流逐渐变大，电流流向如图3中1所示；t∈[αT，T]，A2、A一2为高电平，三极管v₃、v₄导通，此时电流不能突变，电流流向如图3中2所示。经分析，电路的电压方程为^[3]：