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附件C ：译文基于PIC18F2331直流闭环控制的两相混合式步进电机驱动器的设计摘要：本文是阐述了基于PIC 微程序控制器直流闭环控制的两相混合式步进电机驱动器的设计。

通过依正弦规律调节每相绕组的直流电流实现了细分驱动控制，满足了恒转矩和平稳运行的要求。

由于工作频率达到8兆赫兹，通过PIC 单片机编程有效地实现了二细分和十细分驱动，因此有效地避免了步进电机所产生的不必要的噪声。

通过闭环控制可以获得任一理想的电流波形。

实验结果表明,该驱动系统具有良好的特性，并且简单、可靠和通用。

1 概述混合式步进电动机从工作原理上讲可以认为是永磁步进电动机和反应式步进电机的结合。

因为他们有便于的开环控制且没有积累误差，因此他们一般都用于测量和控制领域。

在步进电机的应用中，非常重要的一个考虑因素是步进电机的性能与驱动系统极大的关联性。

然而,传统的步进电机驱动系统主要基于专用的完整的环形分配系统进行驱动控制，如UC3717,UC3770,LM297和LM298等集成电路，因此，其步进电机工作电流被限制在3安培以下，所以不能应用于大功率场合。

另外，如果使用DSP 或FPGA 作为控制器进行控制的话，会由于成本过高而不易被采用。

因此，本文提出采用PIC 微程序控制器和场效应管来构建了一种细分驱动控制系统，并且降低了步进电机的机械振动，且具有运行平稳和恒转矩的优点。

通过PIC 单片机的程序存储器的译码实现了步进电机绕组电流的二细分和十细分。

2 混合式步进电机的细分驱动步进电机的运行存在不平稳性，尤其是在低速运行时情况更为严重。

细分驱动用于提高步距角的分辨率和实现步距切换时的平稳运动。

在大多数应用中,细分驱动能提高系统性能,同时还能够限制噪声和解决共振等问题。

细分驱动的原理是将工作绕组的电流逐步转换至另一个绕组。

它是由步进电机绕组经电压脉宽调制控制来实现的。

它是通过一相绕组的电流信号周期性减小，指导教师评定成绩 (五级制)： 指导教师签字：而另一相绕组电流信号逐渐增加来实现的。

一种使步进电机绕组电流按正弦余弦规律变化的正弦、余弦细分驱动技术，能够获得恒定的净转矩。

对于理想步进电机来说，每相绕组上产生的转矩与该绕组的电流成正比，并且转矩随电流增加成线性增加。

由于铁芯的饱和程度和磁场边缘效应，导致步进电机的非线性化，但是实际步进电动机与理想步进电动机相差不多，所以可以忽略其非线性。

因为处理计算和代码空间需要的时间，计算正弦或余弦的电流信号显得不切实际。

用正弦查表做为电流的测试值会更具有实用性。

在实践中,由于余弦只是正弦信号的一个偏移量，因此只有一个查找表是恰如所需的。

每一绕组相应的查找表的指针只需要偏移90度。

3 控制系统的设计3.1 混合式步进电机控制器的结构Fig. 1. Schematic diagram of hybrid stepping motor drive system图1 .混合式步进电动机的驱动系统原理图PIC18F2331是通过纳米微瓦特技术开发的微型集成电路片，是一个28-pin增强闪光微控制器。

并且它附加的极好的外部设备如高速A/D转换器和I/O端口，使它具有高计算性能，因此使得它在很多高性能特性、功率控制和电机控制的应用中成为一个理想的选择。

PIC18F2331介绍了在一个合适价格的专用外围设备，包括以可编程的停止时间嵌入的14-Bit分辨率控制PWM模块(PCPWM)，一个运动反馈模块(MFM)包括一个3-Channel捕捉式输入(IC)模块和正交编码接口(QEI)和一个高速10-bit式A/D转换器(HSADC)。

基于单片机PIC18F2331,设计了一种新的混合式步进电机驱动系统,如图1所示。

因为对接收外界信号如启动或停止命令、运动方向和脉冲信号且每一种信号都将导致在主程序中产生中而言，所以PIC18F2331是整个控制系统最关键的因素之一。

Fig. 2. Schematic for PIC18F2331 control circuit图2 PIC18F2331控制电路原理图如图2所示，以一个8兆赫兹的晶体作为主要振荡器。

这个工作频率可以有效地消除由于电动机工作而产生的不必要的噪声。

与一个投入到PORTC(RC4)的端口相连接的一个拨动开关，决定了步进电机的方向:正向或逆向。

每个压切换开关将会切换它的方向。

一个步进式开关是与一个输入PORTC(RC3)端口相连接。

如果这个开关被按下电动机将会停止工作。

数字输入口RC5被设定为接受外部步进脉冲,且每个脉冲信号引起在主程序的中断。

一个正弦查询表被储存在程序存储器中，且使用该查询表读中断程序中的指令，然后获得该绕组的二细分和十细分电流。

因为余弦只是正弦值的90度的偏移量，所以只需要一个查询表。

查询表的上半部分是由(1)计算出，而该查询表的第二部分只需要简单的由上半部分倒序而得到。

table=sin(n×π / Ns )×256 (1)在该公式中,n步阶指令,Ns是细分的数量。

连接端口A的DIP开关,是用来选择微步的数量。

DIP4作为“允许“开关。

这不得不接近由DIPDIP 0 -3选择的微步电动机的运转。

DIP开关的细节见如下表I。

TABLE I DIP SWITCHS FOR PULSE PER REVOLUTION表1 DIP开关的每一运行脉冲信号脉冲/回DIP0 DIP1 DIP2 DIP3400 关开开开800 开关开开1600 关关开开3200 开开关开6400 关开关开12800 开关关开25600 关关关开1000 开开开关2000 关开开关4000 开关开关5000 关关开关8000 开开关关10000 关开关关20000 开关关关25000 关关关关为了获得理想的电流，DAC将数字信号转换成模拟参考电压信号，该信号将与取样电阻的电流检测比较。

该错误被用于控制MOSTET的驱动电路IR2110所需的逻辑门电路。

图3显示了DAC0832的控制电路的原理图。

DAC0832的是一种先进的CMOS/硅铬、8位乘法DAC，目的在于直接与所有常用的微处理器包括PIC单片机微处理器做接口。

该电路采用CMOS电流开关和控制逻辑，以实现低功耗和低输出漏电流误差。

特殊的电路提供TTL逻辑输入电压级别的兼容性。

双缓冲允许DAC0832的输出电压对应一个数位字，同时紧接下一个数位字。

这允许任意数量的DAC同步更新。

在步进电机控制中的应用，DAC0832的使用电压开关模式，其数字输入引脚端DI0-DI7收到从PIC18F2331相绕组和双运放LM358的电流信号，将DAC0832输出电压调整到一个适当的水平且同时提高电流驱动能力。

参考二极管LM336-2.5被用于为DAC0832提供一个精确的2.5V低电压基准。

DAC0832的CS、ILE、 WR1、WR2,、XFER等引脚控制信号来自于由如图2所示的IC74138解码器组成的逻辑电路。

Fig. 3. Schematic for DAC0832 control circuit图3 DAC0832的控制电路示意图图4显示了一个相混合式步进电机驱动电路。

国际整流器公司开发的IR2110的是高电压，高速功率MOSFET和独立的高低侧参考输出通道的IGBT驱动器。

专有的HVIC和锁存免除CMOS技术使单片式结构坚固耐用。

逻辑输入与标准的COMS 或LSTTL输出，直至3.3V逻辑相匹配。

输出驱动器具有高脉冲电流缓冲级，最低驱动器交叉传导设计。

传播延迟与简化使用在高频应用相匹配。

浮动通道可用来驱动一个N沟道功率MOSFET或运行至500到600电压的高压侧结构的IGBT。

Fig. 4 Schematic of drive circuit for one phase图4 一相驱动电路示意图混合式步进电机拥有永磁和可变磁阻步进马达共享的工作原理。

混合式步进电机的转子是多齿结构，如可变磁阻电机，包含一个绕其轴的同心轴向磁化的磁铁。

转子上的齿提供了一个路径，这有助于引导磁通量在气隙中到达首选地点。

与可变磁阻和永磁类型的特点相比较，磁的同心磁铁增加了电机特有的特点如制动，支撑和动态转矩。

根据电机的步进分级，混合动力发动机可以驱动像单极和双极电机。

混合双极步进电机由两个绕组组成，有四根电线。

与单极电机不同的是，双极电机没有中心抽头。

对不具有中心抽头的电机而言，它的优点是用电流每次通过一个完整的绕组，来代替一半绕组的电流运行。

因此，双极型混合式步进电机产生比同样大小的单极电机更多的扭矩。

与单极电机相比，双极电机的缺点是由双极电机需要更复杂的控制电路。

双极型电机绕组中的电流的流动是双向的。

这需要更改每个绕组的极性。

被称为H 桥的控制电路，是用来改变一个绕组两端的极性。

每一个双极电机有两个绕组，因此，两个H 桥控制电路需要两相混合式步进电机，如图4所示。

两相混合式步进电机绕组的两个H 桥由8个MOSFET 组成。

先进的HEXFET 功率MOSFET IRF2807国际整流器，利用先进的加工技术，以实现每硅片面积上电阻极低。

TO-220封装的IRF2807普遍成为功率损耗大约为50瓦特的商业工厂应用的首选。

低热阻和TO-220包装成本低，有助于它得到整个行业的广泛认可。

IRF2807的连续漏电流是58A 和漏源击穿电压是75V 。

一种被称为“固定关断时间”算法，用来实现绕组电流的闭环控制。

当电压施加在电机绕组，通过绕组的电流呈指数形势增加。

该电流可以被认为是瞬间电流成正比的模拟电压通过一个外部电阻。

这个电压用一个简单的RC 低通网络进行过滤，以消除高频瞬态，然后与其中一个可选择的阀值相比较。

从DIP 开关的电流信号中确定被选中的电流阈值，与所需的绕组电流峰值水平相比较。

通过选择适当的电压除以电阻和MOSFET ，可以得到任何理想的电流。

此刻的感应电压上升甚至超过选定的阈值，单稳态集成电路74LS125被触发，同时使双方输出下沉电流驱动器的固定关断时间退出优先命令状态，然后循环通过绕组的电流源晶体管和相应的二极管。

在关断超时时间的时刻，电机电流呈指数上升同时产生纹波波形。

绕组波纹幅度是关于关断时间off T 的直接函数，Rt 和Ct 值可以从下面的表达式计算得到：t t C R T off 69.03.2 驱动系统的软件开发Fig. 5 Flow chart of interrupt routine图5 中断程序流程图MPLAB集成开发环境（IDE）是由微芯片释放，集成的工具集PIC单片机和dsPIC 数字信号控制器的嵌入式应用的发展。

MPLAB IDE将运行在MS Windows32位应用程序，易于使用，包括高速开发应用的大量免费的软体结构和增压调试主机。

MPLAB IDE中，也可作为一个单一的，统一的附加微芯片和第三方软件/硬件开发工具的图形用户界面。