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　　1. 摘要：步進電機又被稱為步進器，屬于感應(yīng)電機的范疇，其能夠按照電磁學(xué)的原理將電能轉(zhuǎn)化為機械能。在現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中，步進電機是的主要執(zhí)行元件之一，步進電機借助電子電路，可將直流電變成分時供電、多相時序控制電流。在步進電機正常運行時，可以通過細(xì)分控制進一步提升電機穩(wěn)定運行的頻率范圍，并增加分辨率、減小低頻振動及噪音、溫升和高頻失步[1-6]。

　　2. 步進電機的細(xì)分控制原理

　　步進電機細(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個步距角度，并保證均勻性，從而使電機能夠通過 n步轉(zhuǎn)過整步或半步的步距角。步進電機在工作時，可能會出現(xiàn)步距角無法滿足使用要求的情況，此時便可以利用細(xì)分控制的方法，將一個步距角細(xì)分為多步，在這一過程，步進電機 A 相和 B 相的電流大小會發(fā)生改變，合成磁場的夾角也會隨之發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對步進電機的有效驅(qū)動，滿足具體的使用需求。由于兩相步進電機的性價比較高，配上細(xì)分驅(qū)動器之后效果良好，所以這種類型的步進電機應(yīng)用廣泛，約占的 97% 以上。在兩相步進電機中，如果A、B 相繞組同時通電，那么轉(zhuǎn)子會停留在兩相磁極的中間位置處，當(dāng)通電順序按照 8 個固定的狀態(tài)，周而復(fù)始地變化，電機會以順時針進行轉(zhuǎn)動，每次轉(zhuǎn)動的步進角均為 45o，轉(zhuǎn)動 8 次，達到 360o，即一周。通過細(xì)分控制，能夠使步進電機的轉(zhuǎn)動更加平穩(wěn)。

　　3. 控制電路的實現(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細(xì)分控制實現(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，對晶體管基極的偏置進行調(diào)制，從而改變晶體管的導(dǎo)通時間，實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變，該方式突出的特點是能夠使電源的輸出電壓在工況變化時，保持恒定狀態(tài)，PWM 能夠利用對脈沖寬度的調(diào)制，達到等效獲取所需波形的目的。在電路中，PWM 可通過對脈沖占空比的改變，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，對脈沖寬度進行調(diào)制。SPWM 比較常見的實現(xiàn)方式有等面積法、軟件生成法、硬件調(diào)制法。

　　(3)方式選擇。通過對上述兩種實現(xiàn)方式的原理進行分析可知，SPWM 的計算過程相對比較煩瑣，從而使得所需的計算量比較大，計算所得的結(jié)果，會占用大量的內(nèi)存空間。不僅如此，SPWM在實時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，使整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得過于復(fù)雜化。PWM 具有原理簡單、易于控制和實現(xiàn)等

　　特點，控制電路的復(fù)雜程度不高，鑒于此，可選取PWM 作為步進電機細(xì)分控制電路的實現(xiàn)方式。

　　3.2 硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)

　　(1)系統(tǒng)架構(gòu)。為實現(xiàn)步進電機細(xì)分控制，開發(fā)一套相對完善的細(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)動芯片選用的是 TC1005，電流采樣通過下橋臂電阻實現(xiàn)，借助上位 PC 機與下位機之間的實時通信，完成步進電機的細(xì)分控制。

　　(2)控制與驅(qū)動單元。① 控制單元。本次設(shè)計中，選用的 STM32 微處理器芯片引腳數(shù)量為 144，為便于模塊化的實現(xiàn)，決定在布局時將 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 三個電路分開設(shè)計。步進電機細(xì)分控制系統(tǒng)在正常運行的過程中，如果電源因故掉電，則會對控制效果造成影響，為避免此類問題的發(fā)生，在細(xì)分控制系統(tǒng)設(shè)計中，加入備用供電，借此來提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

　　② 驅(qū)動單元。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，驅(qū)動芯片選用的是 TC1005，其不但精度高，而且節(jié)能效果好，芯片本身自帶微步，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電機進行驅(qū)動。該芯片采用的是 LQFP 封裝，引腳數(shù)量為 32。

　　(3)電路設(shè)計。① 轉(zhuǎn)換電路。本次設(shè)計開發(fā)的細(xì)分控制系統(tǒng)主要針對的是二相步進電機，由于此類電機的工作方式為雙極性驅(qū)動，所以在驅(qū)動硬件設(shè)計時，加入 H 橋功率轉(zhuǎn)換電路，解決電機雙向電流流通的問題。對于二相步進電機而言，需要兩個 H 橋，通常情況下，4 個開關(guān)管能夠構(gòu)成一個 H 橋，2 個 H橋需要 8 個開關(guān)管，由于本次設(shè)計開發(fā)的細(xì)分控制系統(tǒng)采用的是雙通道芯片，所以只要 4 個芯片，便能構(gòu)成 2 個 H 橋。同時為使采樣電阻能夠?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，對干擾問題進行抑制，防止驅(qū)動芯片受損。② 電源電路。本次設(shè)計的硬件電路是利用 24 V 開關(guān)電源為細(xì)分控制系統(tǒng)進行供電，本系統(tǒng)需要三個等級的電壓，即 3.3 V、5 V 和 24 V，所以在對電源電路進行設(shè)計的過程中，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，除了因為其性價比高之外，該器件內(nèi)部集成過熱保護和限流線路，這樣能夠使電平轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性獲得進一步提升。③ 隔離電路。步進電機是憑借電磁學(xué)的原理，實現(xiàn)電能與機械能的轉(zhuǎn)換，也就是說，步進電機本身具有電磁特性，這個特性會對細(xì)分控制電路產(chǎn)生電磁干擾。因此，在設(shè)計中，采用光電隔離電路，將控制單元中的 STM32 芯片，與驅(qū)動單元中的 TC1005 芯片隔離開。該電路突出的作用是隔離輸入/輸出電信號，如步進脈沖信號、方向信號等。④ 接口電路。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，控制板與上位 PC 機之間的通信是通過 USB 接口來實現(xiàn)，這樣能夠使上位 PC 機對步進電機的運行進行智能調(diào)控。對接口電路進行設(shè)計時，選用 CH340G，這是一個 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，并不會發(fā)生丟失數(shù)據(jù)等情況。

　　(4)抗干擾設(shè)計。在系統(tǒng)硬件電路設(shè)計中，抗干擾是必須重點考慮的問題之一，只有避免干擾，才能確保系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，也才能使其作用得以限度地發(fā)揮。本次設(shè)計開發(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產(chǎn)生高頻干擾。不僅如此，二相步進電機以感性負(fù)載為主，電機運行時，還會產(chǎn)生電磁干擾，所以必須在設(shè)計時，采取有效的防干擾措施。本次設(shè)計采用隔離與濾波技術(shù)對干擾問題進行解決。

　　3.3 細(xì)分程序設(shè)計

　　在本次設(shè)計中，硬件電路是細(xì)分控制得以實現(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)計中，步進電機步距角的細(xì)分?jǐn)?shù)可通過給定初始值的方法進行設(shè)定，當(dāng)驅(qū)動電路中，輸入一個步距脈沖后，程序便會相應(yīng)輸出一個正弦函數(shù)值，對該布局脈沖進行細(xì)分，并將細(xì)分之后的脈沖，作為電機繞組的驅(qū)動電流。

　　4. 結(jié)語

　　為提高步進電機的運行穩(wěn)定性，降低各種問題的發(fā)生概率，可對細(xì)分控制技術(shù)進行運用。具體應(yīng)用時，可將硬件電路的實現(xiàn)作為重點環(huán)節(jié)。通過系統(tǒng)對步進電機實現(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。

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