基于單片機PWM功能的步進電動機細分設計

    景立群¹，李勇²，季學武¹

(1清華大學，北京100084；2．北京航空航天大學，北京100083)

    摘要：兩相混合式步進電動機的步距角一般為1.8^。／O .9^。，為適應微小角度控制，需要對步進電動機步距角進行細分。基于單片機的PwM功能，設計了步進電動機驅動器；分析了步進電動機繞組電感對電流暫態效應的影響，通過編程實現步進電動機步距角24細分；設計了簡易實驗裝置，并對硬件電路和程序進行試驗驗證。結果表明，所設計的驅動器及編寫的控制程序可以實現步進電動機的細分驅動，且誤差在可以接受的范圍內。

    關鍵詞：步進電動機；細分；PwM

    中圖分類號：TM383．6  文獻標識碼：A  文章編號：：1004-7018(2008)08—0014—03

0引言  

    目前，常用計算機數字處理技術和數模轉換技術，對步進電動機各相繞組電流進行脈寬調制(PwM)控制，獲得按一定規律改變其幅值和方向的繞組電流，將步進電動機一個整步均分為若干個更細的微步，這種細分方法已經較成熟，但是硬件電路一般較復雜。實踐中發現，可利用單片機的PwM功能產生變占空比信號，實現步進電動機細分控制，這種辦法可以實現較準確的位置控制，省去了傳統細分電路中的數模轉換模塊以及電流檢測控制模塊，只是在程序算法上比較復雜，需要做較多的調試工作。

    本文基于設計一個簡單的步進電動機控制器，首先分析了步進電動機的細分原理，然后將步進電動機的繞組線圈等效為串聯的電感和電阻，通過暫態效應分析，得出線圈上作用的一定占空比的電壓信號與電機線圈中電流的關系。利用這個關系，對電機線圈加以一定占空比的信號，使步進電動機的線圈電流矢量產生一定順序的微轉動，實現步進電動機的細分。最后通過制作簡易試驗裝置驗證細分的效果，結果表明步距角誤差在可接受的范圍內。

1控制電路的組成

    圖l為所設計的步進電動機控制系統示意圖。由單片機發出控制信號，經電機驅動芯片L293處理后直接控制兩相混合式步進電動機。圖中A、B兩個端口用PwM口控制，輸入一定占空比的電壓波形；A-、B-兩個端口用i／O口控制，輸人高低電平。

可見，硬件控制電路中投有數模轉換及細分驅動芯片，節約了成本。

2工作原理及控制策略

    軟件實現步進電動機細分驅動的工作原理是通過控制步進電動機各相繞組的電流，使其在零到****值之間有多個穩定的中間狀態，從而使相應的磁場矢量方向和幅值都有一系列穩定的中間狀態，使得電機中的轉矩產生一系列與磁場矢量方向對應的中間態。據此，通過單片機控制各相繞組電流可實現轉矩方向的離散變化，從而實現步距角的細分。

    按上述分析，為使線圈中合成電流近似按正弦規律變化，設計步進電動機四個端口的電壓波形如2a所示，兩相繞組的合成電壓波形(為繪圖清晰，以五細分為例)如圖2b所示。如果能夠確定兩相繞組電流和A、B兩端口占空比的關系，就能通過程序對步進電動機進行可控的細分控制。

    下面從理論上分析占空比與電流的對應關系。電機的每相繞組可以等效為電阻和電感的串聯組合。驅動芯片1293的內部相當于兩個H橋^[2]，每個H橋控制電機的一個繞組。H橋和繞組連接后的等效電路如圖3所示，其中A1、A2由A端口控制，Al與A端口電平相同，d2與4l反相；_4-l、4—2由

A-端口控制，A一1與4端口電平相同，A一2與A一1反相。以下取圖2中的2(1、2、4、7分析方法一致)狀態進行分析，3(3、5、6、8分析方法一致)狀態分析方法與此類似。2狀態下，d端口為一定占空比變化的波形，A一端口始終為低。設在t∈[O，αT]，A1、A-2為高電平，三極管導通v_l、v₄導通，繞組中電流逐漸變大，電流流向如圖3中1所示；t∈[αT，T]，A2、A一2為高電平，三極管v₃、v₄導通，此時電流不能突變，電流流向如圖3中2所示。經分析，電路的電壓方程為^[3]：