步进电机控制系统的研究

步进电机控制系统的研究

杨杰1李学佳2崔二华3韩永清4

英利能源(中国)有限公司河北省保定市071051

摘要：步进电动机由于用共组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。

关键词：步进电机电机控制系统

中图分类号：TM3文献标识码：A文章编号：

前言

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

一、步进电机概述

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件，具有快速启动和停止的能力。当负荷不超过步进电机所提供的动态转矩值时，它就可能在一瞬间实现启动和停止。它的步矩角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件(如温度、气压、冲击和振动等)的影响，仅与脉冲频率有关。它每转l周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。

正是因为步进电机具备上述优点，它已经被广泛地用于自动控制系统中作为执行元件。但大多数设计人员常常习惯于用逻辑电路实现复杂的步进电机的控制，虽然已经取得很大成效，但实现起来成本高、费时多，而且一旦组成了电路，就很难再改动，因此不得不完全重新设计控制器。

微处理器与微计算机的先进技术和低廉的价格，给步进电机的控制开创了一个新的局面。人们完全可以借助于软件来对步进电机实施控制，从而实现复杂而

成本又不高的控制系统，同时还可以很灵活地通过改变程序来改变控制方案。

二、步进电机控制系统细分驱动原理

步进电机的工作原理本质上靠励磁绕组产生的旋转的合磁场带动转子做同步运动翻。不细分时步进电机的合磁场将以一个固定的角度旋转，如果对这个角度进行细分，那么就可以实现对步距角的细分。由于励磁绕组通电之后产生磁通量正比于电流的大小。因而只要控制各个绕组的电流的大小和方向就可以控制步进电机各个绕组产生的合磁场的大小和方向。当步进电机工作在整步或半步时，只需对绕组进行正、反向通断电控制。工作在细分状态下就需要精确控制流过绕组电流的大小。细分驱动技术主要是通过对步进电机的相电流进行阶梯化控制，使电机以足够小的单位步距角运行。从而减小步长和低频振动。提高电机的运行分辨率。

通过对相电流的均匀细分就能使步距角均匀n细分，这是在相电流与步距角之间为线性关系的前提下才能成立的。而实际上。由于步进电机磁化曲线本身的非线性和磁滞现象等因素的影响，等分相电流并不能等分步距角，而必须根据步距角和相电流的关系曲线，对各相电流加以控制和修正，才能实现步进电机步距角的均匀细分。另一方面合成磁场的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。因此提出了一种恒流均匀细分控制的方法，它的基本思想是：维持步进电机内部合成磁场的幅值恒定，合成磁场的方向均匀变化。对于那种完全用硬件来实现步进电机细分的驱动电路，要进行恒力矩均匀细分控制是相当困难的，但是对于单片机控制的步进电机细分驱动电路，实现这种控制就容易多了，它通过软件可以相应的数字量存储于EPROM的不同区域，采用软件查表法输出细分电流的控制信号。

三、步进电机控制系统

本系统采用单片机控制步进电机，可以很方便地使不同相数的步进电机按任一种可行的通电方式进行控制。图1是单片机控制步进电机系统的原理框图。

圈1单片机控制步进电机系统原理框图

1单片机及其接口电路

本系统以MCS51系列8031单片机作为整个系统的控制中枢。由于考虑到系统的扩展，外接可编程的I／O接口芯片825用于LED显示、打印机、步进电机等的接口。图2是单片机及其接口电路的原理框图。

图2单片机及其接口电路原理框图

2系统直流电源

微型计算机及其接口一般要求一种或多种电源电压，这些电压的波动必须保持在标称值的±5％以内，具有足够的稳定度，否则整个系统就难以做到稳定地工作，而且也会影响测量的精度。根据系统的要求，设计了+5V和+24V直流电源，如图3所示。

图3系统直流电源

图中采用三端集成稳压器，提高了整个控制系统的可靠性。所谓集成稳压器一般是指把经过整流的不稳定电压转换成为稳定的输出电压的集成电路。这类器件一般具有较好的电压调整特性、负载调整特性、抑制输入电压交流成分特性、温度稳定性和过热、过电流及安全工作区自动保护功能。

3步进电机驱动电路

本系统以单片机的I／O 口8255A 口作为单片机与步进电机的接口。由于A 口驱动能力有限，而被控制的步进电机要求高电压和大电流，所以在A 口之后必须加一个驱动电路。图4所示为步进电机的驱动电路。

图4步进电机驱动电路

图中只画出一相的驱动电路，其余两相与之完全相同。在图4中，三极管T 1起着开关的作用。当三极管截止时，无集电极电流流通，开关相当于断开；当三极管饱和时，流过最大的集电极电流，开关相当于闭合。而开关作用可由加于基极的电流来控制。

驱动电路由T 2T 3。两个三极管组成达林顿式功率放大，驱动步进电机的3个

绕组，使电机绕组的静态电流达到近2A。

电路中使用光电耦合器将控制和驱动信号加以隔离。当控制输入信号为低电平时，T 1截止，输出高电平，则红外发光二极管截止，光敏三极管不导通，因此

绕组中无电流流过；当输入信号为高电平时，T 1饱和导通，于是红外发光二极管

被点亮，使光敏三极管导通，向功率驱动级晶体管提供基极电流，使其导通，绕组被加电产生电流。

步进电机绕组中串联电阻R a 的目的是为了限制绕组中的电流，因为绕组的直