1. 摘要：步進(jìn)電機(jī)又被稱為步進(jìn)器，屬于感應(yīng)電機(jī)的范疇，其能夠按照電磁學(xué)的原理將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)是不可或缺的主要執(zhí)行元件之一，步進(jìn)電機(jī)借助電子電路，可將直流電變成分時(shí)供電、多相時(shí)序控制電流。在步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，可以通過細(xì)分控制進(jìn)一步提升電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的頻率范圍，并增加分辨率、減小低頻振動(dòng)及噪音、溫升和高頻失步[1-6]。

 

　　2. 步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制原理

 

　　步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制的基本原理如下：根據(jù)細(xì)分?jǐn)?shù)，將整步的步距角或是半步的步距角，劃分成為 n個(gè)步距角度，并保證均勻性，從而使電機(jī)能夠通過 n步轉(zhuǎn)過整步或半步的步距角。步進(jìn)電機(jī)在工作時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)步距角無法滿足使用要求的情況，此時(shí)便可以利用細(xì)分控制的方法，將一個(gè)步距角細(xì)分為多步，在這一過程，步進(jìn)電機(jī) A 相和 B 相的電流大小會(huì)發(fā)生改變，合成磁場的夾角也會(huì)隨之發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的有效驅(qū)動(dòng)，滿足具體的使用需求。由于兩相步進(jìn)電機(jī)的性價(jià)比較高，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器之后效果良好，所以這種類型的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用最為廣泛，約占市場份額的 97% 以上。在兩相步進(jìn)電機(jī)中，如果A、B 相繞組同時(shí)通電，那么轉(zhuǎn)子會(huì)停留在兩相磁極的中間位置處，當(dāng)通電順序按照 8 個(gè)固定的狀態(tài)，周而復(fù)始地變化，電機(jī)會(huì)以順時(shí)針進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)角均為 45º，轉(zhuǎn)動(dòng) 8 次，達(dá)到 360º，即一周。通過細(xì)分控制，能夠使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)更加平穩(wěn)。

 

　　3. 控制電路的實(shí)現(xiàn)方法

 

　　3.1 細(xì)分控制方式的選擇

 

　　目前，比較常見的異步電機(jī)細(xì)分控制實(shí)現(xiàn)方式有以下兩種，即 PWM 和 SPWM。

 

　　(1)脈沖寬度調(diào)制 PWM。這是一種模擬控制方式，具體是指按照載荷變化，對(duì)晶體管基極的偏置進(jìn)行調(diào)制，從而改變晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變，該方式最為突出的特點(diǎn)是能夠使電源的輸出電壓在工況變化時(shí)，保持恒定狀態(tài)，PWM 能夠利用對(duì)脈沖寬度的調(diào)制，達(dá)到等效獲取所需波形的目的。在電路中，PWM 可通過對(duì)脈沖占空比的改變，來獲得所需的輸出電壓。

 

　　(2)正弦脈寬調(diào)制 SPWM。根據(jù)正弦規(guī)律變化及正弦波等效的 PWM 波形，對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制。SPWM 比較常見的實(shí)現(xiàn)方式有等面積法、軟件生成法、硬件調(diào)制法。

 

　　(3)方式選擇。通過對(duì)上述兩種實(shí)現(xiàn)方式的原理進(jìn)行分析可知，SPWM 的計(jì)算過程相對(duì)比較煩瑣，從而使得所需的計(jì)算量比較大，計(jì)算所得的結(jié)果，會(huì)占用大量的內(nèi)存空間。不僅如此，SPWM在實(shí)時(shí)控制方面的效果并不理想，因?qū)崿F(xiàn)過程需要加入雜波信號(hào)，使整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得過于復(fù)雜化。PWM 具有原理簡單、易于控制和實(shí)現(xiàn)等

 

　　特點(diǎn)，控制電路的復(fù)雜程度不高，鑒于此，可選取PWM 作為步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制電路的實(shí)現(xiàn)方式。

 

　　3.2 硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

 

　　(1)系統(tǒng)架構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制，開發(fā)一套相對(duì)完善的細(xì)分控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心控制元件是微處理器，選用的是 STM32 系列產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)芯片選用的是 TC1005，電流采樣通過下橋臂電阻實(shí)現(xiàn)，借助上位 PC 機(jī)與下位機(jī)之間的實(shí)時(shí)通信，完成步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制。

 

　　(2)控制與驅(qū)動(dòng)單元。① 控制單元。本次設(shè)計(jì)中，選用的 STM32 微處理器芯片引腳數(shù)量為 144，為便于模塊化的實(shí)現(xiàn)，決定在布局時(shí)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(yù)留 I/O 接口，將晶振、復(fù)位以及 BAT 三個(gè)電路分開設(shè)計(jì)。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng)在正常運(yùn)行的過程中，如果電源因故掉電，則會(huì)對(duì)控制效果造成影響，為避免此類問題的發(fā)生，在細(xì)分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，加入備用供電，借此來提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

 

　　② 驅(qū)動(dòng)單元。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)芯片選用的是 TC1005，其不但精度高，而且節(jié)能效果好，芯片本身自帶微步，最高能夠支持的細(xì)分?jǐn)?shù)為 256，具有方向和 SPI 通信接口，通過對(duì)不同 MOS 管(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)的選擇，能夠?qū)Σ煌叽绲膬上嗖竭M(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該芯片采用的是 LQFP 封裝，引腳數(shù)量為 32。

 

　　(3)電路設(shè)計(jì)。① 轉(zhuǎn)換電路。本次設(shè)計(jì)開發(fā)的細(xì)分控制系統(tǒng)主要針對(duì)的是二相步進(jìn)電機(jī)，由于此類電機(jī)的工作方式為雙極性驅(qū)動(dòng)，所以在驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，加入 H 橋功率轉(zhuǎn)換電路，解決電機(jī)雙向電流流通的問題。對(duì)于二相步進(jìn)電機(jī)而言，需要兩個(gè) H 橋，通常情況下，4 個(gè)開關(guān)管能夠構(gòu)成一個(gè) H 橋，2 個(gè) H橋需要 8 個(gè)開關(guān)管，由于本次設(shè)計(jì)開發(fā)的細(xì)分控制系統(tǒng)采用的是雙通道芯片，所以只要 4 個(gè)芯片，便能構(gòu)成 2 個(gè) H 橋。同時(shí)為使采樣電阻能夠?qū)碜越饘傺趸锇雽?dǎo)體場效晶體管橋的尖峰值進(jìn)行有效吸收，應(yīng)當(dāng)選擇低感抗的電阻，并且不能與系統(tǒng)接地相連，以免造成電流串?dāng)_。因此，采用并接大電容的方法，對(duì)干擾問題進(jìn)行抑制，防止驅(qū)動(dòng)芯片受損。② 電源電路。本次設(shè)計(jì)的硬件電路是利用 24 V 開關(guān)電源為細(xì)分控制系統(tǒng)進(jìn)行供電，本系統(tǒng)需要三個(gè)等級(jí)的電壓，即 3.3 V、5 V 和 24 V，所以在對(duì)電源電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，可以通過穩(wěn)壓電路，將 24 V 電壓轉(zhuǎn)換為5 V 和 3.3 V 電壓。為確保電壓的順利轉(zhuǎn)換，在設(shè)計(jì)中加入開關(guān)型穩(wěn)壓器件，借助該穩(wěn)壓器件，可將 24 V

 

　　電壓穩(wěn)壓至 5 V。此外，系統(tǒng)控制單元的 STM32 芯片需要 3.3 V 電壓，對(duì)此可選用 AMS117 系列穩(wěn)壓器件，將 5 V 電壓穩(wěn)壓至 3.3 V。之所以選用 AMS117系列穩(wěn)壓器件，除了因?yàn)槠湫詢r(jià)比高之外，該器件內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流線路，這樣能夠使電平轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性獲得進(jìn)一步提升。③ 隔離電路。步進(jìn)電機(jī)是憑借電磁學(xué)的原理，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，也就是說，步進(jìn)電機(jī)本身具有電磁特性，這個(gè)特性會(huì)對(duì)細(xì)分控制電路產(chǎn)生電磁干擾。因此，在設(shè)計(jì)中，采用光電隔離電路，將控制單元中的 STM32 芯片，與驅(qū)動(dòng)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(hào)，如步進(jìn)脈沖信號(hào)、方向信號(hào)等。④ 接口電路。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，控制板與上位 PC 機(jī)之間的通信是通過 USB 接口來實(shí)現(xiàn)，這樣能夠使上位 PC 機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行智能調(diào)控。對(duì)接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選用 CH340G，這是一個(gè) USB 總線轉(zhuǎn)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(xì)分控制系統(tǒng)的需求，并不會(huì)發(fā)生丟失數(shù)據(jù)等情況。

 

　　(4)抗干擾設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)中，抗干擾是必須重點(diǎn)考慮的問題之一，只有避免干擾，才能確保系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，也才能使其作用得以最大限度地發(fā)揮。本次設(shè)計(jì)開發(fā)的細(xì)分控制系統(tǒng)的硬件電路包括轉(zhuǎn)換電路、H 橋電路等等，它們之間不可避免地會(huì)產(chǎn)生高頻干擾。不僅如此，二相步進(jìn)電機(jī)以感性負(fù)載為主，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，所以必須在設(shè)計(jì)時(shí)，采取有效的防干擾措施。本次設(shè)計(jì)采用隔離與濾波技術(shù)對(duì)干擾問題進(jìn)行解決。

 

　　3.3 細(xì)分程序設(shè)計(jì)

 

　　在本次設(shè)計(jì)中，硬件電路是細(xì)分控制得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，而軟件程序則是細(xì)分的關(guān)鍵之所在。具體設(shè)計(jì)中，步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分?jǐn)?shù)可通過給定初始值的方法進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路中，輸入一個(gè)步距脈沖后，程序便會(huì)相應(yīng)輸出一個(gè)正弦函數(shù)值，對(duì)該布局脈沖進(jìn)行細(xì)分，并將細(xì)分之后的脈沖，作為電機(jī)繞組的驅(qū)動(dòng)電流。

 

　　4. 結(jié)語

 

　　為提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，降低各種問題的發(fā)生概率，可對(duì)細(xì)分控制技術(shù)進(jìn)行運(yùn)用。具體應(yīng)用時(shí)，可將硬件電路的實(shí)現(xiàn)作為重點(diǎn)環(huán)節(jié)。通過系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)細(xì)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。