1 引言
步進電動機是一種將離散的電脈沖信號轉化為相應角位移或線位移的電磁機械裝置，它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比，是一種輸入與輸出脈沖對應的增量驅動元件。它具有轉矩大、慣性小、響應頻率高等優點，已經在工業上得到廣泛的應用。但其步矩角較大，一般為1.5"3°，往往滿足不了某些高精度定位、精密加工等方面的要求。

實現細分驅動是減小步矩角、提高步進分辨率、增加電動機運行平穩的一種行之有效的方法。目前步進電動機細分驅動控制，多采用量化的梯形波、正弦波作為細分驅動的電流波形，但實際上這些電流波形一般在步進電動機上均不能得到滿意的細分精度。

在合理選擇電流波形的基礎上，提出用AT89C52單片機控制實現的步進電動機斬波恒流細分驅動方案，其運行功率小，可靠性高，通用性好，細分精度高，具有很強的實用性。

2 細分電流波形的選擇及量化
步進電動機的細分控制，從本質上講是通過對步進電機的勵磁繞組中的電流控制，使步進電動機內部的合成磁場為均勻的圓形旋轉磁場，從而實現步進電動機步矩角的細分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進電動機旋轉力矩的大小，相鄰兩個合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步矩角的大小。因此，想要實現對步進電機的恒力矩均勻細分控制，必須合理控制步進電機繞組中的電流，使電動機內部合成磁場的幅值恒定，而且每個進給脈沖所引起的合成磁場的角度變化也要均勻。我們知道在空間彼此相差2π/m的m 相繞組，分別通以相位上差2π/m而幅值相同的正弦電流，則合成的電流矢量便在空間做旋轉運動，且幅值保持不便。這一點對于反映式步進電動機來說比較困難，因為反應式步進電動機來說比較困難，因為反映式步進電動機的旋轉磁場只與繞組電流的絕對值有關，而與電流的正反流向無關。以比較經濟合理的方式對步進電機實現步矩角的任意細分，繞組電流波形宣采用如圖1所示的形式

其中，α為電動機轉子偏離參考點的角度。 ib滯后于ia 2π/3, ic超前于ia 2π/3。此時，合成電流矢量在所有區間，從而保證合成磁場幅值的恒定，實現電動機的恒轉矩，而步進電動機在這種情況下也最平穩。將繞組電流根據細分倍數均勻量化后，所得細分步矩角也是均勻的。為了進一步得到更加均勻的細分步矩角，可以通過實驗測取一組在通入量化電流波形時，步進電動機細分步矩的數據，然后對其誤差進行插值補償，求得實際的補償電流曲線，這些工作大部分可以由計算機來完成。在取得矯正后的量化電流波形之后，以相應的數字量儲存于E?PROM 中的不同區域，量化的程度決定了細分驅動的分辨率。

3 細分驅動方案及硬件實現
斬波恒流細分驅動的方案的原理為：由單片機輸出 E?PROM  中儲存的細分電流控制信號，經D/A轉換為模擬電壓信號，再取樣信號進行比較，形成斬波控制信號，控制各功率管前級驅動電路的導通和關斷，實現繞組中電流的閉環控制，從而實現步矩的精確細分。系統原理框圖如圖2所示。

3.1 控制電路
控制電路主要由AT89CT52單片機、驅動電路、D/A轉換、E?PROM及可編程鍵盤/顯示控制器Intel8279等組成，單片機是控制系統的核心。受控步進電動機的細分倍數、運行脈沖、正反轉、運行速度、單次運行線位移、啟/停等的控制即可由鍵盤輸入，也可通過與上位機的串行通信接口由上位機設置。狀態顯示提供當前通電電動機、機電流大小、電動機運行時間、正反轉、當前運行速度、線位移及相關計數等的顯示，并將工作狀態和數據傳送給上位機。

傳感器（霍爾傳感器）由于檢測計數器的當前值。單片機的主要功能是輸出E?PROM中儲存的細分電流控制信號進行D/A轉換。根據轉換精度的要求，D/A轉換器即可以選擇8位的，也可以選擇12位的。本驅動的控制器選用的是8位的D/A轉換器MAX516。MAX516把4個D/A轉換器與4個比較器組合在單個的CMOS IC（DIP20封裝）上4個D/A轉換器共享一個參考輸入電壓UREF均可采用下式表示#p#分頁標題#e#
             UDACi=UREFN/256
式中  N=0，1，…，255

N對應于8位的DAC輸入碼D0～D7（此處為細分電流控制信號）。通過、調節UREF的變化范圍，便可調節步進電動機繞組中電流的幅值。

3.2  功率驅動電路
工作中，步進電機組分電流控制信號的D/A轉換值Ui輸入到MAX516內部各比較器COMPi的同向輸入端。繞組電流取樣信號Ui輸入到COMPi的反向輸入端。斬波恒流驅動采用固定頻率的方波與比較器輸出信號調制成斬波控制信號，控制繞組的通電時間，使反饋電壓Ui始終跟隨D/A轉換輸出的控制電壓Ui。合理選擇續流回路就可使繞組中的電流值在一定的平均值上下波動，且波動范圍不大。

調制用方波信號頻率為21.7KHz，由AT89C52的P2.5/PWM端產生，且各相是同頻斬波，不會產生差拍現象，所以消除了電磁噪聲。為防止因比較器漂移或干擾導致的功率開關誤導通，把斬波控制信號與像序控制信號相“與”后去控制功放管。當開關截止時，并聯RC、恢復復續流二級管VD、繞組L及主電源構成泄放回路。與單純電阻釋能電阻相比，RC釋能電路使功耗和電流紋波增加較小，而電流下降速度大大加快。電流取樣信號由精密電流傳感放大器MAX471完成。當繞組電流流過其內部35mΩj精密取樣電阻時，經內部電路變化，轉換為輸出電壓信號

            VOUT=ROUT×（ILAOD×500μA/A）
其中ROUT為MAX471外部調壓電阻，阻值按設計要求選定；ILAOD為流過精密電阻的相繞組電流。MAX471同時具有電流檢測與放大功能，從而大大方便了整個電路的設計與調試。
功率開關管（功放管）是功放電路中的關鍵元件，影響著整個系統的功耗和體積。由于所設計的驅動器主要用來驅動額定電流3A、額定電壓27V以下的步近電動機，故選用高額VMOS功率場效應晶體管IRF594（UDS=100V，RDS（ON）=0.052Ω，ID=27A）作為開關管。IRF504導通電阻很小，因此，即使電動機長時間運轉，該VMOS管殼本身的溫度也比較低，無須外加風扇。為了提高步進電動機的工作可靠性，消除電動機電感性繞組的串擾，本系統無論從驅動部分還是反饋部分都進行了隔離。驅動隔離采用了高速光電耦合器6N137為隔離元件，一方面可以實現前級控制電路同步進電動機繞組的隔離：另一方面使功率開關管的驅動變的方便可靠。反饋通道的濾波部分采用無源低通濾波器，其作用是高速衰減繞組（電感線圈）在開關時截止頻率以上的瞬時高頻電壓信號，從而避免控制電路做出太迅速的反應可以有效的的防止步進電動機的振蕩。線性光偶合電路的作用是將濾波后的采樣電阻反饋信號線性的傳輸給比較器。

4 軟件設計
步進電動機細分驅動控制的軟件主要由主控程序、細分驅動程序、鍵處理程序、顯示驅動程序、監控程序等部分組成。細分驅動主控制程序控制整個程序的流程，主要完成驅動的初始化、中斷方式的設置、計數器工作方式的設計及相關子程序的調用等。初始化包括8279各寄存器、8279的顯示RAM、AT89C52的中斷系統及內部RAM等。在AT89C52的各中斷中，使用了INT1、T0、和T1這3個中斷，其中，INT1為高優先級，在運行狀態下當有停止鍵按下時，則INT1中斷服務程序將T0關閉，從而使步進電動機停止，T0控制每一步的步進周期，該服務程序基本上只作重置定時期和置標志位的操作，而其他操作均在主程序中完成。其流程圖如圖3所示。細分驅動程序中，細分電流控制信號的輸出采用單片機片內E?PROM軟件查表法，用地址選擇來實現不同通電方式下的可變步距細分，從而實時控制步進電動機的轉角位置，其流程圖如圖4所示。

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5 結束語
本設計實現的步進電動機恒力矩細分驅動控制器，最高細分達到256細分，能夠適應大多數中小微型步進電動機的可變細分控制較高細分步距角精度及平滑運行等要求。
該驅動控制器已用于我們的校內科研基金項目“全自動高精度線圈切割機”的驅動控制系統中。該切割機的拖動執行元件為三相6拍步進電動機，其粗步距角為1.5°，軸齒輪直徑為32mm，故步進電動機送料的粗步進位移為：     πd×1.5/360=419μm。為進一步提高切割機定位精度和系統的運行平穩性，采用上述細分驅動控制，細分級數為16時，切割定位精度為26.2μm。從運行實際的情況看，該步進電動機驅動器實現了較高的穩速精度和切割精度慣性小，運行可靠，取得了滿意的效果。