步进电机细分驱动软件设计
基于TSC87C51的步进电机细分控制电路的设计
基于TSC87C51的步进电机细分控制电路的设计摘要:本文通过合理选择步进电机相绕组细分电流波形,提出并介绍了基于TSC87C51单片机控制的步进电机恒流均匀细分驱动方案及实现技术。
关键词:恒转矩斩波恒流均匀细分驱动电路1、引言步进电机是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械装置,它输出的角位移与输入的脉冲数成正比,转速与脉冲频率成正比,是一种输出与输入脉冲对应的增量驱动元件。
该元件具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点,已经在当今工业上得到广泛的应用。
但其步矩角较大,一般为1．5°～3°,满足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。
实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运行平稳性的一种行之有效的方法。
本文在选择了合理的电流波形的基础上,提出了基于TSC87C51单片机控制的恒流细分驱动方案,其运行功耗小,可靠性高,通用性好,具有很强的实用性。
2、硬件设计要求及原理2.1 设计要求（1）供电电源:10V～40VDC容量0.03KV A。
（2）输出电流:共分0.9A、1.2A、1.5A、1.8A、2.1A、2.4A、2.7A、3.0A8档可选,以配合不同电机使用。
（3）驱动方式:恒相流PWM控制。
（4）细分选择:整步、半步、4细分、8细分、16细分、32细分、64细分的七种细分模式可选。
（5）自动半电流:若上位机在半秒中内没有发出步进脉冲,驱动器自动进入节电的半电流运行模式。
2.2 电气接口要求2.2.1 输入信号脉冲信号输入:脉冲信号,5mA～12mA,高电平+5V电平,脉冲信号,最高频率为70KHz。
方向信号输入:高、低电平,5mA～12mA,高电平+5V。
脱机信号输入:高、低电平,5mA～12mA,高电平+5V。
公共端输入:+5V电源。
2.2.2 输出信号两相步进电机绕组接口:绕组A接:A+,A-;绕组B接:B+,B-。
2.3 硬件设计原理系统采用TSC87C51单片机接收命令,并将输入命令进行综合处理,控制二相步进电机正反转、运行速度、单次运行线位移、以及启停等的控制;既可由键盘输入,也可通过与上位机的串行通信口由上位机设置。
步进电机的细分
步进电机的细分步进电机是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械装置,它具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，已经在当今工业上得到广泛的应用，但其步矩角较大，一般为1.5o~3o，往往满足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。
实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运行平稳性的一种行之有效的方法。
本文在选择了合理的电流波形的基础上，提出了基于Intel 80C196MC 单片机控制的步进电机恒转矩细分驱动方案，其运行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很强的实用性。
细分电流波形的选择及量化步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。
一般情况下，合成磁场矢量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，要想实现对步进电机的恒转矩均匀细分控制，必须合理控制电机绕组中的电流，使步进电机内部合成磁场的幅值恒定，而且每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化也要均匀。
我们知道在空间彼此相差2p/m的m相绕组，分别通以相位上相差2p/m而幅值相同的正弦电流，合成的电流矢量便在空间作旋转运动，且幅值保持不变。
这—点对于反应式步进电机来说比较困难，因为反应式步进电机的旋转磁场只与绕组电流的绝对值有关，而与电流的正反流向无关。
以比较经济合理的方式对三相反应式步进电机实现步距角的任意细分，绕组电流波形宜采用如图1所示的形式。
图中，a为电机转子偏离参考点的角度。
ib滞后于ia，ic超前于ia。
此时，合成电流矢量在所有区间b＝Ime-ja，从而保证合成磁场幅值恒定，实现电机的恒转矩运行。
且步进电机在这种情况下也最为平稳。
将绕组电流根据细分倍数均匀量化后，所得细分步距角也是均匀的。
为了进一步得到更加均匀的细分步距角，可通过实验测取一组在通入量化电流波形时的步进电机细分步距的数据，然后对其误差进行差值补偿，求得实际的补偿电流曲线。
基于驱动电路3955的步进电机细分驱动器设计
第24卷第4期2010年10月济南大学学报(自然科学版)J OURNAL OF UN I VER SI TY O F JI NAN (Sc.i and T ech )Vo.l 24No .4O ct .2010文章编号:1671-3559(2010)04-0398-04收稿日期:2010-05-05基金项目:国家863计划(2009AA044204)作者简介:董圣英(1962-),男,山东德州人,副教授;霍孟友(1964-),男,山东曲阜人,教授,博士,硕士生导师。
基于驱动电路3955的步进电机细分驱动器设计董圣英1a ,2,刘建亭3,霍孟友1b(1.山东大学a .控制科学与工程学院;b .机械工程学院,山东济南250061;2.德州职业技术学院电气电子工程系,山东德州253034;3.济南大学科技处,山东济南250022)摘 要:为减小步距角,提高电机步进分辨率,在分析步进电机细分原理的基础上,提出一种基于全桥P WM 驱动电路3955的两相步进电机细分驱动器设计方案,给出了系统的硬件结构和软件设计。
该方案采用正弦/余弦细分方法,控制步进电机两相绕组的电流,实现了斩波恒流均匀细分驱动,最高细分达到128。
所设计的驱动器已应用于数控车床改造中,采用导程为1mm 的精密滚珠丝杆,可实现每步位移0.4 m 。
实验结果表明该步进电机细分驱动器运行平稳、可靠性高,具有良好的运行矩频特性。
关键词:步进电机;驱动器;细分控制中图分类号:TM 383.6文献标志码:ADesi gn of Subdivided Driver of T wo PhaseStep M otor Based on D river C ircuit 3955DO NG Sheng y i n g 1a ,2,L I U J ian ting 3,HUO Meng -you 1b(1a .S chool ofC ontrol Science and Engi n eeri ng ;1b .School ofM echan ical Engi neering ,Shandong U n i vers it y ,J i nan 250061,Ch i na ;2.Depart m ent ofE l ectrical and E l ectron i c E ngi neeri ng ,Dez hou V ocati on al and Techn ical College ,Dez hou 253034,Ch i n a ;3.Depart m en t of S ci ence and Techn ol ogy ,Un ivers i ty of Ji n an ,J i nan 250022,Ch i na)Abstrac t :Based on t he ana l y si s o f the subdiv i s i on pri nc i p l e of step m oto rs ,an approach o f m i cro step dr i ver based on t he full br i dge P WM integ ra ted c ircuit 3955for t w o phase step m otors are proposed to reduce t he step ang l es and i m prove the step reso l ution of step m oto rs ,and the hard w are struc t ure and soft w are desi gn of t he syste m are a l so represented .By usi ng si n /cos m icro step m ethod and ad j usti ng t he current i n each w i nd i ng o f step m otors ,chopp i ng constant current and ho m ogeneous m i cro step dr i ve can be achieved w ith the h i ghest reso l u ti on up to 128.W hen chos i ng the prec i se ba ll scre w w it h 1mm lead ,t he nume rical contro l l a t he usi ng t h is dr i ver is de m onstrated that t he prec isi on of s i ng le step displace m ent i s 0.4 m .Experi m ental resu lts confi rm tha t the m i cro step driver has h i gh re li ability ,h i gh per f o r m ance and good torque /frequency characteristi c .K ey word s :step m otor ;dr i ver ;subdi v ision control步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的执行机构,具有转矩大、惯性小及响应频率高等优点[1],但也存在转矩波动、低频振荡、高频失步以及精度不高的缺陷,从而制约了步进电机在高精度控制系统中的应用。
基于STM32的微型步进电机驱动控制器设计
3.2 控制器控制策略
STM32软件负责该模块的主控制器，首先让启动模式处于非启动状态（DISABLE），外部中断也处于关闭状态。一旦启动模式被打开，即点亮LED；其次，进行速度设置、细分系数设置以及旋转角度设置。睡眠模式下LED缓慢闪烁。具体该驱动控制器软件设计流程图。
4 结论
通过系统对软硬件进行调试，该控制器实现了对步进电机速度、细分系数、任意角度的设置，并达到了预期设定的目标。此控制器可以应用在相对比较精细的项目控制中，加快项目研发周期。该模块的主要缺陷就是输出驱动电流不够大，无法应用在扭力比较大的场合中，因此，通过上述对A4988模块的分析，可以再对A4988芯片进行改进，更换导通电阻小、驱动电流大的MOS管，实现电机驱动器的设计。
1.2 A4988的工作原理
为了更加清晰地分析A4988的工作原理，首先深入分析A4988的内部结构。为A4988的内部结构图和典型的外部电路连接图。
由图1所示，A4988有一个编译器（Translator），主要负责微控制器和驱动电路的信息交互。通过该编译器可产生DA信号，配合比较器辅助PWM锁存器修复衰减信号，并且该编译器能够产生逻辑电平控制逻辑控制器，逻辑控制器再配合电流调节器和N型MOS管驱动电压共同驱动两路全桥电路。电路中所标电容必须严格与技术文档中所给的相同，Rosc主要更改并修复衰减模式，接VDD自动修复衰减，接GND电流衰减设置为增减电流同时修复。SENSE1和SENSE2检测驱动输出电压，实则是实时检测输出电流，供电流调节器调节输出电流信号，形成闭环控制。因此SENSE1和SENSE2管脚连接的电阻非常关键，一般这个电阻的阻值在零点几欧姆左右。
（1）串口通信模块[6]：主要负责上位机和下位机通信。上位机通过串口通信模块发送相应的功能指令给下位机，下位机执行上位机的指令并控制A4988驱动器模块驱动步进电机。。
基于MCU控制的步进电机驱动器设计
1．1 步进电机的概述....................................................................................................1 1．2 步进电机的驱动技术及发展................................................................................2 1.2.1 步进电机驱动技术.......................................................................................2 1.2.2 步进电机的驱动软件技术...........................................................................3 1.3 步进电机的细分驱动技术......................................................................................3 第二章 基于单片机的二相步进电机细分驱动系统........................................................5 2.1.1 混合式式步进电机的特点...........................................................................5 2.1.2 混合式步进电机的基本工作原理...............................................................6 2.2 C8051F020 单片机..................................................................................................7 2.2.1 C8051F020 功能特点...................................................................................7 2.2.2 单片机最小系统介绍..................................................................................8 2.3 L297/L298 功能介绍............................................................................................12 2.4 步进电机的细分及其电流最佳设计.................................................................13 2.4.1 细分原理..................................................................................................13 2.4.2 步进电机电流的非线性设计....................................................................15 第三章 硬件设计................................................................................................................16 3.1 硬件电路的具体应用............................................................................................16 3.1.1 C8051F020 功能模块.................................................................................16 3.1.2 L297/L298 电路设计.................................................................................17 3.2 控制电路................................................................................................................19 3.2.1 键盘输入....................................................................................................19 3.2.2 串行通信接口............................................................................................20 第四章 步进电机驱动电路软件设计................................................................................21 4.1 驱动器个程序模块开发.......................................................................................21 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 主程序设计................................................................................................21 定时器中断服务程序................................................................................22 按键输入及控制程序................................................................................23 串口通信程序............................................................................................24 2.1 步进电机的结构特点与工作原理..........................................................................5
步进电机的细分
步进电机的细分步进电机是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械装置,它具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，已经在当今工业上得到广泛的应用，但其步矩角较大，一般为1.5o~3o，往往满足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。
实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运行平稳性的一种行之有效的方法。
本文在选择了合理的电流波形的基础上，提出了基于Intel 80C196MC 单片机控制的步进电机恒转矩细分驱动方案，其运行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很强的实用性。
细分电流波形的选择及量化步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。
一般情况下，合成磁场矢量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，要想实现对步进电机的恒转矩均匀细分控制，必须合理控制电机绕组中的电流，使步进电机内部合成磁场的幅值恒定，而且每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化也要均匀。
我们知道在空间彼此相差2p/m的m相绕组，分别通以相位上相差2p/m而幅值相同的正弦电流，合成的电流矢量便在空间作旋转运动，且幅值保持不变。
这—点对于反应式步进电机来说比较困难，因为反应式步进电机的旋转磁场只与绕组电流的绝对值有关，而与电流的正反流向无关。
以比较经济合理的方式对三相反应式步进电机实现步距角的任意细分，绕组电流波形宜采用如图1所示的形式。
图中，a为电机转子偏离参考点的角度。
ib滞后于ia，ic超前于ia。
此时，合成电流矢量在所有区间b＝Ime-ja，从而保证合成磁场幅值恒定，实现电机的恒转矩运行。
且步进电机在这种情况下也最为平稳。
将绕组电流根据细分倍数均匀量化后，所得细分步距角也是均匀的。
为了进一步得到更加均匀的细分步距角，可通过实验测取一组在通入量化电流波形时的步进电机细分步距的数据，然后对其误差进行差值补偿，求得实际的补偿电流曲线。
基于单片机的步进电机细分驱动系统设计
基于单片机的步进电机细分驱动系统设计作者：孙星吴杏来源：《山东工业技术》2017年第06期摘要：为了优化步进电机的控制性能，使其具有更高的定位精度、更小的低速振动，更大的扭矩输出，本文设计了基于AT89C52 单片机的步进电机细分驱动系统。
通过对步进电机驱动原理进行详细分析，根据此原理完成系统的硬件设计和软件设计。
本文最后对设计的系统进行实验，结果表明该驱动系统具有控制精度高、低频运行电机振动小等优点。
关键词：步进电机；AT89C52 单片机；电机驱动DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.06.1360 引言步进电机也被称为脉冲电机，它是以控制器发出的脉冲信号作为驱动的运动元件。
在不超过电机额定功率下，步进电机运动的位置和速度只与脉冲数和脉冲频率有关，不会受其它因素影响，只要给步进电机一个脉冲信号，它就会转动一个固定角度[1-2]。
相对于其他的控制方式，基于细分的步进电机驱动方案可以使电机具有更高的定位精度、更小的低速振动以及更大的扭矩输出，因此得到广泛应用。
1 步进电机细分驱动的原理步进电机控制原理如图1所示（这里都是以两相混和式步进电机为控制对象），控制转子旋转主要是通过控制各相绕组的电流大小使绕组合成磁势的大小和方向发生变化[3]。
常见的步进电机转子齿数一般为z=50，电机磁极对数为2p=2，当有一相绕组接通时，每一齿距的空间机械角为如公式1.1所示，每一极距所占的转子齿数如公式1.2所示，为每一极距的空间机械角如公式1.3所示[4]。
从上公式1.2可以看出，因为每一极距所占的齿数是一个带小数的值，所以当某一个定子和转子一致时，其它的定子和转子一定会错开，这个角度计算公式为：（13-12.5）*t=0.25*t，所以，在步进电机换相时，转子实际转过的角度为0.25*θz=θs=1.8°。
步进电机有很多种换相方式，比较常见的有以下两种：1）采用 A-B-C-D顺序不断地通电。
基于stm32的步进电机控制系统设计与实现
基于stm32的步进电机控制系统设计与实现基于STM32的步进电机控制系统设计与实现1. 概述步进电机是一种非常常见的电动机，在许多自动化系统和工控设备中得到广泛应用。
它们具有精准的定位能力和高效的控制性能。
本文将介绍如何使用STM32微控制器来设计和实现步进电机控制系统。
2. 硬件设计首先需要确定步进电机的规格和要求，包括步距角、相数、电流和电压等。
根据步进电机的规格，选择合适的驱动器芯片，常见的有L298N、DRV8825等。
接下来，将选定的驱动器芯片与STM32微控制器相连。
通常，步进电机的控制信号需要使用到微控制器的GPIO引脚，同时由于步进电机的工作电流比较大，需要使用到微控制器的PWM输出信号来调节驱动器芯片的电流限制。
除此之外，还需要一个电源电路来提供驱动器和步进电机所需的电源。
可以选择使用一个电源模块，也可以自行设计电源电路。
3. 软件设计软件设计是步进电机控制系统的核心部分，主要包括步进电机驱动代码的编写和控制算法的实现。
首先，需要在STM32的开发环境中编写步进电机驱动代码。
根据所选的驱动器芯片和步进电机规格，编写相应的GPIO控制代码和PWM输出代码。
同时，可以添加一些保护性的代码，例如过流保护和过热保护等。
接下来，需要设计和实现步进电机的控制算法。
步进电机的控制算法通常是基于位置控制或速度控制的。
对于位置控制，可以使用开环控制或闭环控制，闭环控制通常需要使用到步进电机的编码器。
对于开环控制，可以通过控制步进电机的脉冲数来控制位置。
通过控制脉冲的频率和方向，可以实现步进电机的转动和停止。
这种方法简单直接，但是定位精度有限。
对于闭环控制，可以使用PID控制算法或者更高级的控制算法来实现位置控制。
通过读取步进电机的编码器反馈信号，可以实时调整控制输出。
这种方法可以提高定位精度和抗干扰能力，但是算法实现相对复杂。
4. 系统实现在完成硬件设计和软件设计后，可以进行系统的调试和实现。