1. 摘要：步進(jìn)電機又被稱(chēng)為步進(jìn)器，屬于感應電機的范疇，其能夠按照電磁學(xué)的原理將電能轉化為機械能。在現代數控系統中，步進(jìn)電機是不可或缺的主要執行元件之一，步進(jìn)電機借助電子電路，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)電機正常運行時(shí)，可以通過(guò)細分控制進(jìn)一步提升電機穩定運行的頻率范圍，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)電機的細分控制原理

 

　　步進(jìn)電機細分控制的基本原理如下：根據細分數，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，從而使電機能夠通過(guò) n步轉過(guò)整步或半步的步距角。步進(jìn)電機在工作時(shí)，可能會(huì )出現步距角無(wú)法滿(mǎn)足使用要求的情況，此時(shí)便可以利用細分控制的方法，將一個(gè)步距角細分為多步，在這一過(guò)程，步進(jìn)電機 A 相和 B 相的電流大小會(huì )發(fā)生改變，合成磁場(chǎng)的夾角也會(huì )隨之發(fā)生變化，從而實(shí)現對步進(jìn)電機的有效驅動(dòng)，滿(mǎn)足具體的使用需求。由于兩相步進(jìn)電機的性?xún)r(jià)比較高，配上細分驅動(dòng)器之后效果良好，所以這種類(lèi)型的步進(jìn)電機應用最為廣泛，約占市場(chǎng)份額的 97% 以上。在兩相步進(jìn)電機中，如果A、B 相繞組同時(shí)通電，那么轉子會(huì )停留在兩相磁極的中間位置處，當通電順序按照 8 個(gè)固定的狀態(tài)，周而復始地變化，電機會(huì )以順時(shí)針進(jìn)行轉動(dòng)，每次轉動(dòng)的步進(jìn)角均為 45º，轉動(dòng) 8 次，達到 360º，即一周。通過(guò)細分控制，能夠使步進(jìn)電機的轉動(dòng)更加平穩。

 

　　3. 控制電路的實(shí)現方法

 

　　3.1 細分控制方式的選擇

 

　　目前，比較常見(jiàn)的異步電機細分控制實(shí)現方式有以下兩種，即 PWM 和 SPWM。

 

　　(1)脈沖寬度調制 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(jìn)行調制，從而改變晶體管的導通時(shí)間，實(shí)現開(kāi)關(guān)穩壓電源輸出的改變，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 能夠利用對脈沖寬度的調制，達到等效獲取所需波形的目的。在電路中，PWM 可通過(guò)對脈沖占空比的改變，來(lái)獲得所需的輸出電壓。

 

　　(2)正弦脈寬調制 SPWM。根據正弦規律變化及正弦波等效的 PWM 波形，對脈沖寬度進(jìn)行調制。SPWM 比較常見(jiàn)的實(shí)現方式有等面積法、軟件生成法、硬件調制法。

 

　　(3)方式選擇。通過(guò)對上述兩種實(shí)現方式的原理進(jìn)行分析可知，SPWM 的計算過(guò)程相對比較煩瑣，從而使得所需的計算量比較大，計算所得的結果，會(huì )占用大量的內存空間。不僅如此，SPWM在實(shí)時(shí)控制方面的效果并不理想，因實(shí)現過(guò)程需要加入雜波信號，使整個(gè)控制系統的結構變得過(guò)于復雜化。PWM 具有原理簡(jiǎn)單、易于控制和實(shí)現等

 

　　特點(diǎn)，控制電路的復雜程度不高，鑒于此，可選取PWM 作為步進(jìn)電機細分控制電路的實(shí)現方式。

 

　　3.2 硬件電路的設計與實(shí)現

 

　　(1)系統架構。為實(shí)現步進(jìn)電機細分控制，開(kāi)發(fā)一套相對完善的細分控制系統，該系統的核心控制元件是微處理器，選用的是 STM32 系列產(chǎn)品，驅動(dòng)芯片選用的是 TC1005，電流采樣通過(guò)下橋臂電阻實(shí)現，借助上位 PC 機與下位機之間的實(shí)時(shí)通信，完成步進(jìn)電機的細分控制。

 

　　(2)控制與驅動(dòng)單元。① 控制單元。本次設計中，選用的 STM32 微處理器芯片引腳數量為 144，為便于模塊化的實(shí)現，決定在布局時(shí)將 STM32 芯片與支持功能電路分開(kāi)。具體做法如下：印制電路板整體布局，預留 I/O 接口，將晶振、復位以及 BAT 三個(gè)電路分開(kāi)設計。步進(jìn)電機細分控制系統在正常運行的過(guò)程中，如果電源因故掉電，則會(huì )對控制效果造成影響，為避免此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生，在細分控制系統設計中，加入備用供電，借此來(lái)提高系統的運行穩定性。

 

　　② 驅動(dòng)單元。在本系統的設計中，驅動(dòng)芯片選用的是 TC1005，其不但精度高，而且節能效果好，芯片本身自帶微步，最高能夠支持的細分數為 256，具有方向和 SPI 通信接口，通過(guò)對不同 MOS 管(金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管)的選擇，能夠對不同尺寸的兩相步進(jìn)電機進(jìn)行驅動(dòng)。該芯片采用的是 LQFP 封裝，引腳數量為 32。

 

　　(3)電路設計。① 轉換電路。本次設計開(kāi)發(fā)的細分控制系統主要針對的是二相步進(jìn)電機，由于此類(lèi)電機的工作方式為雙極性驅動(dòng)，所以在驅動(dòng)硬件設計時(shí)，加入 H 橋功率轉換電路，解決電機雙向電流流通的問(wèn)題。對于二相步進(jìn)電機而言，需要兩個(gè) H 橋，通常情況下，4 個(gè)開(kāi)關(guān)管能夠構成一個(gè) H 橋，2 個(gè) H橋需要 8 個(gè)開(kāi)關(guān)管，由于本次設計開(kāi)發(fā)的細分控制系統采用的是雙通道芯片，所以只要 4 個(gè)芯片，便能構成 2 個(gè) H 橋。同時(shí)為使采樣電阻能夠對來(lái)自金屬氧化物半導體場(chǎng)效晶體管橋的尖峰值進(jìn)行有效吸收，應當選擇低感抗的電阻，并且不能與系統接地相連，以免造成電流串擾。因此，采用并接大電容的方法，對干擾問(wèn)題進(jìn)行抑制，防止驅動(dòng)芯片受損。② 電源電路。本次設計的硬件電路是利用 24 V 開(kāi)關(guān)電源為細分控制系統進(jìn)行供電，本系統需要三個(gè)等級的電壓，即 3.3 V、5 V 和 24 V，所以在對電源電路進(jìn)行設計的過(guò)程中，可以通過(guò)穩壓電路，將 24 V 電壓轉換為5 V 和 3.3 V 電壓。為確保電壓的順利轉換，在設計中加入開(kāi)關(guān)型穩壓器件，借助該穩壓器件，可將 24 V

 

　　電壓穩壓至 5 V。此外，系統控制單元的 STM32 芯片需要 3.3 V 電壓，對此可選用 AMS117 系列穩壓器件，將 5 V 電壓穩壓至 3.3 V。之所以選用 AMS117系列穩壓器件，除了因為其性?xún)r(jià)比高之外，該器件內部集成過(guò)熱保護和限流線(xiàn)路，這樣能夠使電平轉換的穩定性獲得進(jìn)一步提升。③ 隔離電路。步進(jìn)電機是憑借電磁學(xué)的原理，實(shí)現電能與機械能的轉換，也就是說(shuō)，步進(jìn)電機本身具有電磁特性，這個(gè)特性會(huì )對細分控制電路產(chǎn)生電磁干擾。因此，在設計中，采用光電隔離電路，將控制單元中的 STM32 芯片，與驅動(dòng)單元中的 TC1005 芯片隔離開(kāi)。該電路最為突出的作用是隔離輸入/輸出電信號，如步進(jìn)脈沖信號、方向信號等。④ 接口電路。在本系統的設計中，控制板與上位 PC 機之間的通信是通過(guò) USB 接口來(lái)實(shí)現，這樣能夠使上位 PC 機對步進(jìn)電機的運行進(jìn)行智能調控。對接口電路進(jìn)行設計時(shí)，選用 CH340G，這是一個(gè) USB 總線(xiàn)轉接芯片，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(mǎn)足細分控制系統的需求，并不會(huì )發(fā)生丟失數據等情況。

 

　　(4)抗干擾設計。在系統硬件電路設計中，抗干擾是必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一，只有避免干擾，才能確保系統的運行穩定性，也才能使其作用得以最大限度地發(fā)揮。本次設計開(kāi)發(fā)的細分控制系統的硬件電路包括轉換電路、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)電機以感性負載為主，電機運行時(shí)，還會(huì )產(chǎn)生電磁干擾，所以必須在設計時(shí)，采取有效的防干擾措施。本次設計采用隔離與濾波技術(shù)對干擾問(wèn)題進(jìn)行解決。

 

　　3.3 細分程序設計

 

　　在本次設計中，硬件電路是細分控制得以實(shí)現的基礎，而軟件程序則是細分的關(guān)鍵之所在。具體設計中，步進(jìn)電機步距角的細分數可通過(guò)給定初始值的方法進(jìn)行設定，當驅動(dòng)電路中，輸入一個(gè)步距脈沖后，程序便會(huì )相應輸出一個(gè)正弦函數值，對該布局脈沖進(jìn)行細分，并將細分之后的脈沖，作為電機繞組的驅動(dòng)電流。

 

　　4. 結語(yǔ)

 

　　為提高步進(jìn)電機的運行穩定性，降低各種問(wèn)題的發(fā)生概率，可對細分控制技術(shù)進(jìn)行運用。具體應用時(shí)，可將硬件電路的實(shí)現作為重點(diǎn)環(huán)節。通過(guò)系統對步進(jìn)電機實(shí)現細分后，能夠使步距精度及分辨率得到顯著(zhù)提高，從而滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的使用需要。