42BYG020步进电机的单片机细分驱动器设计

编号： 毕业设计说明书 题 目： 42BYG020 步进电机的 单片机细分驱动器设计 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 机械设计制造及其自动化教研室 姓 名： 职 称： 实验师 题 目 类 型 ： 理 论 研 究 实 验 研 究 工 程 设 计 工 程 技 术 研 究 软 件 开 发 2009 年 5 月 30 日 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 摘 要 步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，具有 易于开环精确控制、无积累误差等优点，但由于受到自身制造工艺的限制，步距角一 般较大且是固定的，步进分辨率低、缺乏灵活性、在低频运行时振动。 细分驱动技术是一种能有效改善步进电机低频特性和提高步进精度的驱动技术， 在不改变电机内部参数的情况下，减小步距角、减小步进误差，即提高了分辨率和步 距精度。细分后，驱动电流的变化幅度减小，故转子达到平衡位置时的过剩能量也减 少；另一方面，控制信号的频率提高了 N 倍(细分数)，可远离转子的低频谐振频率。 从而减弱了低频振荡问题。 细分控制的基本思想是在每次输入脉冲切换时，不像单拍或双拍那样将相绕组电 流全部通入或切除，而只改变相应绕组中额定电流的一部分，这样步进电机的合成磁 势也只旋转步距角的一部分，从而使转子每步运行角度也只是步距角的一部分。 本文主要通过对 42BYG020 步进电机进行性能指标、结构及其工作原理的分析， 多种细分方式的比较，进而设计了基于 AT89S51 单片机控制的斩波恒流均匀细分驱动 方案及实现技术，并对微步距角进行测量及修正，进而以实现消除步进电机的低频共 振现象，减少振动，降低工作噪音等。 关键词：42BYG020；单片机；斩波恒流；细分驱动 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 Abstract Stepper motor is an electrical component to achieve angle rotation through controlling winding phase current with electrical pulse signal, which has the advantages of ease for precise control of open-loop and no accumulation of errors. However, due to the own limitations of manufacturing process of Stepper motor, step angle is generally larger and fixed, low in step resolution, lack of flexibility, and vibrating in the low-frequency operation. Subdivision driving is a driving technology which can improve low-frequency characteristics and the stepper accuracy of stepper motors .It reduces the step angle and the stepping error in case of not changing the internal parameters of the motor, which means ,it improves resolution and step precision .After subdivision, the range of driving current will reduce, so the excess energy is also reduced when the rotor reaches the balance position; On the other hand, the frequency of control signal will increase N times (the number of subdivision), which can make the rotor far away from low-frequency resonant. Thus the problem of low frequency oscillation is reduced. The basic idea of subdivision control is to change only a part of rated current in winding phase current when each input pulse switches, different from a single pulse or double pulse that makes winding phase current go into or remove wholly. As a result, synthesis magnetic potential of stepper motor only rotates a part of step angle, and so that each operation angle of the rotor is only a part of step angle. By the analysis of performance indicators, the structure and working principle of the stepper motor 42BYG020, as well as comparison of a variety of sub-ways, this paper aims to put forward and introduce the program and technology realization of chopper constant-current uniform subdivision driving based on the control of single-chip microcomputer AT89S51, moreover, measure and the amend Micro-step angle, and then realize to eliminate the phenomenon of low-frequency resonance (concussion) of stepper motor, reduce the vibration and reduced working noise, etc. Key words：42BYG020; Single-chip microcomputer; Chopper constant-current; Subdivision driven 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目 录 引言 .1 1 绪论 2 1.1 42BYG020 步进电机的概述 2 1.2 42BYG020 步进电机的指标和参数 2 1.2.1 42BYG020 步进电机的指标 2 1.2.2 42BYG020 步进电机的参数 3 1.3 42BYG020 步进电机的工作原理 4 2 42BYG020 步进电机的细分驱动 5 2.1 步进电机的细分驱动技术 5 2.2 细分驱动的原理 5 2.3 42BYG020 步进电机细分电流 6 2.3.1 等电流细分驱动法 .7 2.3.2 电流矢量恒幅均匀旋转法 .9 3 驱动电路方案的比较和选择11 3.1 单电压驱动方式 .11 3.2 高低压驱动方式 .12 3.3 脉宽调制法 .12 3.4 斩波恒流电路 .13 4 驱动电路的设计16 4.1 基于单片机控制的电路框图的设计 .16 4.2 控制电路中主要元器件的选择 .16 4.2.1 单片机的选择.16 4.2.2 数模转换器（DAC）的选择 19 4.2.3 运算放大器、比较器的选择 .22 4.3 驱动电路的设计 .23 5 步进电机细分驱动的软件设计24 5.1 系统软件总体结构 .24 5.2 步进电机控制主程序设计 .24 5.3 按键扫描程序的设计 .25 5.4 步进电机细分驱动程序设计 .26 6 细分步距角误差的拟合与修正29 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 6.1 步距角测量装置的设计 .29 6.1.1 圆光栅的选择 29 6.1.2 步进电机与圆光栅零点对位启动 30 6.1.3 步距角测量装置的设计 30 6.2 步进电机细分步距角的测量30 6.3 步距角的拟合与修正 .31 6.4 结果分析 .31 7 结论33 谢 辞.34 参考文献.35 附 录.36 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 41 页 引言 随着科学技术的发展，对小步距、高精度、高分辨率、低振动、高稳定性、低噪 音的步进电机的要求愈来愈迫切。 42BYG020 步进电机是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的 电磁机械装置,它输出的角位移与输入的脉冲个数成正比,转速与脉冲频率成正比,是一 种输出与输入脉冲对应的增量驱动元件，由于步距角的大小由转子齿数和运行拍数决 定，而转子齿数和运行拍数是有限的，因此 42BYG020 步进电机的步距角为 比1.8/09。 。 较大，致使步进分辨率低、缺乏灵活性、在低频运行时振动，且由于步进电机运行的 特殊机理，噪音比其他微电机都高，使物理装置容易疲劳或损坏。细分驱动技术在一 定程度上有效地克服了这些缺点。 步进电机细分驱动技术是 70 年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合 使用性能的驱动技术。1975 年美国学者 T.R.Fredriksen 首次在美国增量运动控制系统 及器件年会上提出步进电机步距角细分的控制方法。在其后的二十多年里，步进电机 细分驱动得到了很大的发展。 最初，对步进电机相电流的控制是由硬件来实现的，通常采用两种方法:(l)采用 多路功率开关电流供电，在绕组上进行电流叠加，这种方法使功率管损耗少，但由于 路数多，所以器件多，体积大。(2)先对脉冲信号叠加，再经功率管线性放大，获得阶 梯形电流，优点是所用器件少，但功率管功耗大，系统功率低，如果管子工作在非线 性区会引起失真。由于本身不可克服的缺点，因此目前已很少采用这两类方法。 随着计算机技术的发展，特别是单片机的出现，开创了步进电机细分驱动技术的 新局面。用单片机控制的步进电机细分驱动电路不仅减小控制系统的体积、简化电路、 同时还提高了细分精度和控制系统的智能化，从而使细分驱动技术得到推广。 国内步进电机电细分驱动技术在九十年代中期的到了较大的发展，主要应用在工 业、航天、机器人、精密测量等领域，如跟踪卫星用光电经纬仪、军用仪器、通讯和 雷达等设备。 步进电机细分驱动器是步进电机微步控制系统关键的部件，广泛应用在绘图仪、 精密运动平台、微位移机构等机电一体化系统中。步进电机的类型不同，其步距角细 分控制的方法也不同。 本课题采用单片机作为步进电机的步距角细分控制单元，针对 42BYG020 型步进 电机设计细分驱动系统，实现对该类型步进电机的微步控制。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 41 页 1 绪论 1.1 42BYG020 步进电机的概述 42BYG020 步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构， 由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。当步进驱动器接收到一 个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角)。脉冲 输入越多，电机转子转过的角度就越多;输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快。因 此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控 制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。 根据自身的结构不同,步进电机种类可分为常用三大类:反应式(VR，也称磁阻式)、 永磁式(PM)、混合式(HB )，其中混合式步进电机兼有反应式和永磁式的双重优点， 其自身阻尼作用较好，运行平稳，噪音低、低频振动小，目前混合式步进电机是应用 最广泛的电机之一。42BYG020 步进电机就属于混合式步进电机，所以 42BYG020 步 进电机同样具有混合步进电机所具有的一些优缺点： (1) 在不失步的前提下步进电机的角位移与输入脉冲数严格的成正比，因此不存在 累计误差，具有良好的跟随性。 (2) 步进电机的动态响应快、易于启停、正反转及变速。 (3) 可用数字信号直接进行开环控制，容易构成简单廉价但可靠的数字控制系统。 同时，在要求高时它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 (4) 停止时具有自锁能力。 (5) 速度可在相当宽范围内平滑调节。 (6) 无刷，电机本体部件少，可靠性高。 (7) 一般可以不用减速器而直接驱动负载。 (8) 带惯性负载的能力较差。 (9) 由于步进电机存在振荡和失步现象，因此必须对控制系统和机械负载采取相应 的措施。 (10) 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用普通的交直流电源 驱动。 1.2 42BYG020 步进电机的指标和参数 1.2.1 42BYG020 步进电机的指标 步距角： 0.9/1.8 DEG 绝缘电阻： 500VDC 100M 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 41 页 绝缘强度： 500VAC 1 Minute 温 升： 65K 环境温度： -10+55 绝缘等级： B 1.2.2 42BYG020 步进电机的参数 42BYG020 步进电机参数如下，如表 1-1 所示。 表 1-142BYG020 步进电机的参数 型号 相数 电压 电流 电阻 电感 静转矩 机身 长 出轴 长 重量 42BYG020 4 12V 0.6A 20 14mH 0.17N.m 33mm 18mm 0.2kg 42BYG020 步进电机的接线图： 图 1-1 42BYG020 步进电机接线图 42BYG020 步进电机的外形如图 1-2 所示。 图 1-2 42BYG 系列电机外形图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 41 页 1.3 42BYG020 步进电机的工作原理 42BYG020 步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进 电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。如图三是该四相反应 式步进电机工作原理示意图。 图 1-3 42BYG020 步进电机的工作原理图 开始时，开关 SB 接通电源， SA、SC、SD 断开，B 相磁极和转子 0、3 号对齐， 同时，转子的 1、4 号齿就和 C/D 相绕组磁极产生错齿，2、5 号齿就和 D、A 相绕组磁 极产生错齿。 当开关 SC 接通电源，SB、SA、SD 断开时，由于 C 相绕组的磁力线和 1、4 号齿 之间磁力线的作用，使转子转动，1、4 号齿和 C 相绕组的磁极对齐。而 0、3 号齿和 A、B 相绕组产生错齿，2、5 号齿就和 A、D 相绕组磁极产生错齿。以此类推， A、B、 C、D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着 A、B、C、D 方向转动。 然而，电机低速运行时，由于相序转换造成的速度冲击，会使得电机转子在平衡 位置反复振荡，影响运行精度。因此，我们通过细分原理来使电机工作平稳，精度提 高。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 41 页 2 42BYG020 步进电机的细分驱动 2.1 步进电机的细分驱动技术 步进电机是一种由输入脉冲控制输出转角的机电元件，对应于一个输入脉冲，转 子转过一个固定的角度即步距角，这个特点特别适合于开环系统，但是随着数控技术 及机械工业的发展，产品对精度的要求越来越高，而采用常规的设计方法，例如，增 加定、转子齿数以获得小的步距角等，由于它们受到电机结构等的限制，而越来越不 能满足需要，这就要求采用特殊的驱动电路设计方法来提高步进电机的运行性能，目 前较常用的和比较成熟的方法是细分控制，又称微步控制。 细分控制的实质是在步进电机各相绕组的电流切换时，代替原来的绕组电流直接 通断的方法，采用只切换绕组电流的一部分，使对应切换相绕组中的电流阶梯地上升 到额定值或下降到零，从而产生一系列的假想的磁极对（即新的稳定平衡点） ，使转子 对应的每步运动只为原来的一部分，而达到细分的目的。 采用细分驱动技术有许多优点： (1) 采用细分驱动技术后，在不改变步进电机整体结构的前提下，可以大幅度提高 步进电机的步距分辨率。 (2) 由于电机绕组中的电流变化幅度变小了，所以引起低频振荡的过冲能量降低了， 即改善了低频性能，减小了开环运动的噪声，提高了运行稳定度。 (3) 在数控系统中，加工误差难以提高的原因很大一部分是由于减速箱的存在，采 用细分技术后，可以采用步进电机直接同丝杠相连的形式，这样可以在很大程 度上消除了由减速机构产生的回程误差及爬行等。 (4) 采用微步驱动时，可以改善步进电机运行的矩频特性，对应的控制频率也可相 应提高。 2.2 细分驱动的原理 “细分”是针对“步距角”而言的。步进电机的驱动是靠给步进电机的各相励磁 绕组轮流通以电流，实现步进电机内部磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。没 有细分状态，控制系统每发一个步进脉冲信号，步进电机就按照整步旋转一个特定的 角度。步进电机的参数，都会给出一个步距角的值。如 42BYG020 型电机给出的值为 0.9/1.8（表示半步工作时为 0.9、整步工作时为 1.8），这是步进电机固有步距角。 通过步进电机驱动器设置的细分状态，步进电机将会按照细分的步距角旋转位移角度， 从而实现更为精密的定位。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 41 页 以 42BYG020 电机为例，列表，如表 2-1 所示。 表 2-1 42BYG020 步进电机的不同细分角度 电机固有步距角 细分数 电机运行时的真正步距角 0.9/1.8 2 细分，即半步状态 0.9 0.9/1.8 4 细分状态 0.45 0.9/1.8 8 细分状态 0.225 0.9/1.8 16 细分状态 0.1125 0.9/1.8 32 细分状态 0.05625 可以看出，细分数就是指电机运行时的真正步距角是固有步距角(整步）的几分指 一。例如，驱动器工作在 32 细分状态时，其步距角只有步进电机固有步距角的三十二 分之一。当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，步进电 机旋转 1.8；而用细分驱动器工作在 32 细分状态时，电机只转动了 0.05625 。其实， 细分就是步进电机按照微小的步距角旋转，也就是常说的微步距控制。运行拍数与驱 动器细分的关系是：运行拍数指步进电机运行时每转一个齿距所需的脉冲数。 步进电机的细分控制方法，是通过控制步进电机各相绕组中的电流，使其按一定 规律上升或下降，从而获得从零到最大相电流之间能有多个稳定的中间电流状态，相 应的合成磁场矢量也就存在多个中间状态，转子就沿着这些中间状态以微步转动，并 且合成磁场矢量的幅值决定了转矩的大小，相邻合成磁场的夹角决定了微步距的大小， 从而实现了细分。 2.3 42BYG020 步进电机细分电流 本课题要求以 42BYG020 步进电机做 32 细分驱动器，电机为四相六线电机，其通 电方式有三种：单四拍（ABCD）。双四拍(DAABBCCD )。八拍 （AAB BBC C CDDDA）。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的 转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式 既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的 电源通电时序与波形分别如图 2-1a、b、c 所示。 a：单四拍 b：双四拍 c：八拍 图 2-1 步进电机通电工作时序波形图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 41 页 由上面介绍知：八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 所以对 42BYG020 步进电机进行 32 细分驱动时采用八拍的通电方式。如图:为电机 32 细分后电流时序图。 图 2-2 42BYG020 步进电机 32 细分时各相绕组电流状态图 图 2-2 给出了 42BYG020 步进电机四相八拍 32 细分时各相电流状态。使电机细分 各相通电的方式一般有两种：等电流细分驱动法和电流矢量恒幅均匀旋转法。 2.3.1 等电流细分驱动法 等电流细分驱动法在每次绕组电流进行切换时，不是将绕组电流全部通入或切除， 而是在一相绕组电流保持不变的情况下，另一相绕组电流均匀的增大或减小，这样电 机的合成磁场只旋转原电角度的一部分，转子转过的角度也为步距角的一部分，实现 了细分驱动。这时额定电流是台阶式的通入或切除，电流分成多少个台阶，则转子就 以同样的次数转过一个步距角。 以 42BYG020 步进电机 32 细分为例，如图 2-3 所示。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 41 页 图 2-3 细分时合成磁势的旋转情况 由于各相电流幅度以 1/16 幅度上升或下降，原来的一步所转过的角度将分成 32 步 完成，实现步距角的 32 细分，然而，由图 2-3 以及几何关系很容易得出： ； （式 2-1）1 cos306.2inartg。 。 ； （式 2-2）2 1 cs3.1i06rt。 。 ； （式 2-3）3 12 cos.7in3artg。 。 （式 2-4）4 123 cs016.irt。 。 同理： ， ， ， ， ， ，53.8。 64。 7.。 84.。 9.2。 104.。 ， ， ， ， ，1。 12.9。 13。 136。 15。 6。 显然，由结果得出，等电流细分步距角并不是均匀的变化的，而且波动也较大， 等电流法在原理上就不能均匀细分步距角，而步距角不均匀又容易引起步进电机的振 荡和失步。另外，由于电流矢量的幅值不断改变，输出力矩的大小也无法保持恒定。 这种方法带来了一个不可克服的缺陷，即电流合成矢量在旋转过程中的幅值是处 在不断变化中，从上面的分析可知，步进电机合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋 转力矩的大小，相邻两个合成磁场矢量之间的夹角决定了步距角的大小。所以采用这 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 41 页 种方法将引起滞后角的不断变化。当细分数很大、微步距角非常小时，滞后角变化的 差值 已大于所要求细分的微步距角，使得微步距角的继续细分实际上失去了意义。 电机的距角特性曲线图中反映的滞后角 对细分的影响。 图 2-4 滞后角对细分的影响 这种方法由于微步距角的不均匀，以及失调角随负载变化极大地降低了步进开环 控制系统的线性定位精度。由于这些因素导致了电机转子在一定范围内具有不确定性， 这在很大程度上限制了步进细分驱动的应用范围，使它无法胜任线性定位精度要求较 高的场合。 2.3.2 电流矢量恒幅均匀旋转法 为了使细分后的步距角均匀一致，且输出力矩恒定，本文采用了电流矢量恒幅均 匀旋转的细分驱动方法。这种方法可使： （1）电流合成矢量旋转时每次变化的角度几乎均匀； （2）电流合成矢量的大小或幅值保持不变。 由于在空间上彼此相差 2 /m 的 m 相绕脚组分别通以相位上相差 2 /m 而幅值相 同的正弦电流，则合成的电流矢量(或磁场矢量，这里认为电流矢量与磁场矢量成线性 关系) 便在空间作旋转运动，且幅值保持不变。 我们知道，在电机的定子上，空间角互差 90 度安置，两个绕组通以电气角互差 90 度的正弦波就能产生一个圆的旋转磁场。如果转子上有磁极，则该旋转磁场带动转子 同步旋转，这就是同步电机的原理。也就是基于这样一种原理，将互差 90 度的两相交 流电通入两相步进电机的两个绕组中，该步进电机和同步电机一样平稳地运转。如果 我们在两相绕组中通入互差 90 度的两相“阶梯型”拟正弦波电流时，就可得到恒转距 细分驱动的效果， “阶梯”越小，月接近正弦波，得到的步距角越小，细分效果越好。 同时改变两相电流的大小，使电流合成矢量恒幅均匀旋转，这种方式可称为步进电机 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 41 页 的模拟运行，它是一种基于交流同步电机概念的特殊细分技术，实质是对运行于交流 同步电机的步进电机所受的交流模拟信号在一个周期内细分，即每个细分点对应于一 个交流值。当细分数相当大时，电机绕组的电流信号就逼近模拟连续信号。这种细分 技术可以极大地提高步进电机的分辨率和运行稳定性。 图 2-5 恒幅均匀旋转电流矢量 由于 42BYG020 步进电机的电角度为 ，则通入的电流相位也应该相差 。我90。 90。 们根据电细分的数学模型（2-5 式）： 式（2-5） ab90icosniM。（ ）（ ） 其中: n 为细分数； s 为步数。 可得到 42BYG020 步进电机 32 细分后 A、B 两相的电流数据，量化后制成表格的 形式存入单片机。步进电机运行时，只要从表中取出与步数、相对应的电流数据送入 控制电路中，即可实现对步进电机相绕组电压的控制，达到细分步距角的目的。同理： B 和 C,C 和 D,A 和 D 相之间的通电电流也做同样方式的处理。 但是，实际上电机气隙磁场电机定子磁势与转子磁钢是通过定转子铁芯共同感应 的结果，由于齿槽、铁芯材料、边界条件等影响将导致气隙磁场偏离预期值而不能跟 随电流合成磁场的均匀旋转，也就难以保证幅值恒定。因此，这种电机动力距和步距 角之间，电机绕组电流和转矩之间的非线性，实际上电机运行时并不能真正实现恒幅 均匀旋转。 所以还得设计一个机械装置对电机步距角进行测量，然后对数据进行你和与修正。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 41 页 3 驱动电路方案的比较和选择 要对 42BYG020 步进电机进行 32 细分，除了要选择合适的电流通电方式，还要选 择合适的电路驱动方式。随着电子技术行业的迅速发展，电机的驱动电路方式也在不 断改进。 3.1 单电压驱动方式 单电压驱动方式是指步进电机绕组上加上恒定的电压，这种驱动方式的电路相当 简单，流经绕组中的电流以时间常数 L/R(L 为绕组的电感， R 为绕组的电阻)上升，直 到达到额定电流 I=V/R。当电机高速运行时，流经绕组的电流还未上升到额定电流就 被关断，相应的平均电流减少而导致输出转矩下降。为改善高速运行的电机转矩特性， 通常在连接电机绕组的线路中串联一个无感电阻来减少电气时间常数，同时成比例的 增加电源电压以保持额定电流不变(图 3-1)。单电压驱动电路的优点是电路结构简单、 元件少、成本低、可靠性高。缺点是串入电阻将加大功耗，降低功放电路的功率，必 须具备相应的散热条件才能保证电路稳定可靠的工作。所以这种电路一般仅适合于驱 动小功率步进电机或对步进电机运行性能要求不高的情况。 图 3-1 单电压驱动 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 41 页 3.2 高低压驱动方式 为了改善驱动器的高频特性，就必须提高导通电流的前沿，即提高电源电压，但 是电压提高的同时也会使相绕组电流增大，必须加限制电阻，加入电阻后又会引起发 热，加剧功率的损耗，降低效率。为了解决这些问题，又产生了高低压驱动电路。高 低压驱动的设计思想是不论电动机的工作频率如何，在导通相的前沿用高电压供电来 提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。高低压驱动的原 理线路如图 3-2 所示。 图 3-2 高低压驱动电路原理图 高低压驱动可保证在很宽的频段内绕组都有较大的平均电流，在截止时又能迅速 释放，能够产生较大的且较稳定的电磁转矩。其优点是:功耗小，启动转矩大，高频性 能较好。但是也存在着低频振荡加剧，波形呈凹形，驱动电源和大功率管数量加倍， 成本上升的缺点。 目前最常用的开关型步进电机的细分驱动电路有脉宽调制式和斩波式两种。 3.3 脉宽调制法 脉宽调制法是利用半导体开关器件的导通与截止把直流电压变成电压脉冲，并通 过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期 以达到变频变压目的的一种控制技术。如（图 3-3）为脉宽调制电路的原理与波形。载 波信号 u，采用等腰三角波形，控制信号为 u。 ，当 u。u;时元件开通，u。u; 元件截 止。形成的调制波是等幅、等距、但宽度不等的脉冲列，改变控制信号 u。的幅值，调 制波的脉宽随之改变，因而输出到电机绕组上的平均电流值被改变，这样可实现细分 电流的控制。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 41 页 图 3-3 脉宽调制电路的原理与波形 但是它有以下不足： (1) 电路复杂，增加了载波发生器，而且对载波信号的要求较高，因为载波信号的 线性度直接影响到电机控制的精度; (2) 载波信号的频率一般为几十 KHZ，如果频率降低，加在步进电机绕组上的脉 冲电压信号的频率也小，影响了步进电机相电压的积分效果，虽然电机是一个感性负 载，对电流有一定的滤波作用，但电流仍处于断续通电，细分时，每转过一个步距角， 电机不是停在固定的位置，而是在某一位置附近振动，频率越低振动的幅度越大。 3.4 斩波恒流电路 恒流斩波法又称为恒电流驱动方法，是一种在导通、锁定、低频、高频工作状态 下都保持绕组电流恒定的有效的驱动方法。原理图如图 3-4 所示。 图 3-4 斩波恒流原理图 主电路由晶体管(开关管) 、电动机绕组、取样电阻串联而成。为不影响电流变化， 取样电阻采用一个小电阻，其压降与电动机绕组电流成正比。1C 是控制门，控制晶体 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 14 页 共 41 页 管 T 的导通和截止。由环形分配器来的相绕组导通脉冲，即图中环分信号，波形如 （图 3-5(a)）所示，送到门电路 IC 中，IC 的另一路输入信号来自比较器的输出。比较 器的两个输入端，其中之一接给定电平，另一个接来自取样电阻的电压信号。 在环形分配器导通脉冲到来之前，IC 处于关门状态，输出低电平，晶体管 T 截止， 如果绕组中无存储能量则取样电阻中无电流流过，反馈到比较器的输入信号为零，比 较器输出高电平，如（图 3-5(d)）所示。 图 3-5 斩波恒流驱动电路各点波形 当环形分配器输入导通信号时，高电平使 IC 门打开，输出高电平使晶体管 T 导通， 高电压经 T 向电动机绕组供电，电流回路（如图 3-6(a)）所示。 图 3-6 充电回路和续流回路 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 15 页 共 41 页 由导通相的等值电路，可知其电压平衡方程为： 式(3-1)11iLflU（ R+） (d/)+E 其中： 为绕组电阻； 为取样电阻；f E 是电动机运动而产生的反电势。 绕组电流上升，由于所加电压较高，所以电流上升较快。取样电阻上的压降代表 了电流的大小。当电流超过所设定的值时，比较器输入的取样电压超过给定电压，比 较器翻转，输出变低电平，从而 IC 输出低电平，关断晶体管 To 此时磁场能量将使绕 组电流按原方向继续流动，形成续流回路如（图 3-6(b)）所示。电流逐渐下降。 当取样电阻上得到的电压小于给定电压时，比较器又翻转回去，输出高电平，晶 体管导通，电源又开始向绕组供电，电流又会上升，如此反复，电动机绕组的电流就 稳定在由给定电平所决定的数值附近，形成小小的锯齿波，如（图 3-5(c)）所示。 斩波恒流驱动中，由于驱动电压较高，电动机绕组回路又不串电阻，所以电流上 升很快，当到达所需数值时，由于取样电阻反馈控制作用，绕组电流可以恒定在确定 的数值上，而且不随电动机的转速而变化，从而保证在很大的频率范围内电动机都输 出恒定的转矩。 由（图 3-5(e)）可见，在环形分配器所给出的相绕组导通时间内，电源电压并不是 一直向绕组供电，而只是一个一个的窄脉冲。总的输入能量是各脉冲时间的电压与电 流乘积积分的总和。与普通单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动相比。取自 电源的能量大幅度下降，因此，这种驱动器有很高的效率。 另外，斩波恒流驱动能有效减少电动机共振现象的发生，由于电动机共振的基本 原因是能量过剩，而斩波恒流驱动输入的能量是自动随着绕组电流调节。能量过剩时， 续流时间延长，而供电时间减少，因此可减少，因此可减小能量的积聚，使低频共振 现象有效降低，运行更稳定。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 16 页 共 41 页 4 驱动电路的设计 通过以上多方面的通电方式和方案的比较，本文对 42BYG020 步进电机进行 32 细 分驱动采用电流矢量恒幅均匀旋转的细分驱动方法结合斩波恒流电路并使用单片机控 制来实现本课题的要求。 4.1 基于单片机控制的电路框图的设计 因为基于斩波恒流电路原理来进行的方案，所以需要到比较器和 D/A 转换器来做 数模转换，一般 D/A 转换器出来的信号比较小，所以需要到放大器来放大从 D/A 转换 器出来的信号，最后接到电机绕组上。所以得出其结构框图（如图 4-1）所示： 图 4-1 斩波恒流细分驱动结构框图 电路由单片机控制、D/A 转换器、信号放大器，比较器等电路模块组成。利用式 （2-5）的数学模型得到 42BYG020 步进电机 32 细分时其中相邻两相的电流数据，量 化后以表格的形式存入单片机存储器。工作时，单片机根据相应的细分要求，不断输 出细分电流信号，经过 8 位 D/A 器转换后，得到相应的输出电压，由于 D/A 转换器的 输出驱动能力很弱，不能满足电机驱动的需求，因此必须对 D/A 转换器的输出进行功 率放大。电机绕组的通断由三极管控制，单片机的 P1 口通过 DC 一 DC 转换芯片来控 制三极管的导通与截止。当电机细分时，在某相绕组通电的过程中，它的驱动控制器 三极管都是导通的，绕组需换相时，三极管才截止，在整个过程中不会引起其它相的 感应电压。这种细分驱动电路具有精度高、控制灵活、通用性好等特点。 4.2 控制电路中主要元器件的选择 4.2.1 单片机的选择 （1） AT89S51 的参数特征 选择单片机时要以无需外部扩展或较少的外部扩展来实现系统所要求的功能，并 且不对单片机资源造成太大的浪费为原则。 单片机输入信号包括步进脉冲信号 CP、方向控制信号、脱机信号，另外还有细分 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 17 页 共 41 页 步数选择信号。输出两相相差 12 了相位的正弦波。所以要求单片机有足够的 I/0 脚、 中断资源、定时/计数器等，还要求单片机价格便宜和有足够容量的内部存储器。因为 细分后步进脉冲信号频率也相应升高，因此还要求单片机的运算速度快。 AT89S51 单片机具有功能强大、价格低廉、体积小、开发容易，步进电机控制器 操作等特点，在市场中占有很大的份额，是一种比较通用且经济实惠的产品。 所以根据以上所述以及要本课题的任务要求我们了选择 AT89S51 型号单片机。 AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低 功 耗 ， 高 性 能 CMOS 8 位 单 片 机 ， 片 内 含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的 可 反 复 擦 写 1000 次 的 Flash 只 读 程 序 存 储 器 ， 具有 40 个 引 脚 ， 4k Bytes Flash 片 内 程 序 存 储 器 ， 128 bytes 的 随 机 存 取 数 据 存 储 器 （ RAM） ， 32 个 外 部 双 向 输 入 /输 出 （ I/O） 口 ， 5 个 中 断 优 先 级 2 层 中 断 嵌 套 中 断 ， 2 个 16 位 可 编 程 定 时 计 数 器 ,2 个 全 双 工 串 行 通 信 口 ， 看 门 狗 （ WDT） 电 路 ， 片 内 时 钟 振 荡 器 。 AT89S51 单片机基本特征如下： 与 MCS-51 产品指令系统完全兼:容 1 4k 字节在线系统编程(ISP) Flash 闪速存储器 2 1000 次擦写周期 3 4. 0-5. 5V 的工作电压范围 4 全静态工作模式：0Hz-33MHz 5 三级程序加密锁 6 1288 字节内部 RAM 7 32 个可编程 I/O 口线 8 2 个 16 位定时/计数器 9 6 个中断源10 全双工串行 UART 通道11 低功耗空闲和掉电模式12 中断可从空闲模式唤醒系统 13 看门狗(WDT) 及双数据指针14 掉电标识和快速编程特性15 灵活的在线系统编程(ISP 一字节或页写模式)16 AT89S51 单片机引脚图如图 4-2 所示。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 18 页 共 41 页 图 4-2 AT89S51 单片机引脚图 （2） AT89S51 单片机控制的电路 单片机控制器输入信号包括步进脉冲信号 CP、方向控制信号和有细分步数选择信 号，这几种信号均通过光藕连接到单片机的引脚上。 驱动器每接收到一个步进脉冲将驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 (即步距角)，方向信号指明电机顺时针或逆时针转动。当出现高电平时，电路中的电 流被阻止，低电平时导通，所以需要几个按键来与单片机连接控制高低电平的输出。 单片机通过程序来控制，所以引脚中接有下载程序的接口。 单片机的 P00-P07 口与数模转换器(DAC)的数据信号接收口 D1-D7 连接。以接受 从单片机传送过来的细分电流数据信号；数模转换器(DAC)的 Cs 与 WR1 接口作为脉冲 接收端，单片机每送来一个脉冲， DACA 将信号转换成模拟信号给下级电路，控制电 流的变化，以达到细分的作用。 通过 AT89S51 和 8 位数模转换器(DAC)输出两相相位差 90的正弦波。单片机用 指标电压（Vdd=+5V ）,DAC 用电源作为参考电压，Vdd (+5V)作为上限参考电压， Vss(OV,接地 )作为下限参考电压。在实际运行中，电机绕组电流为阶梯状，正弦阶梯 电流的每一阶与电机的每一步相对应，电机每转的步数就是每一个周期正弦电流的阶 梯数与电机的磁极对数(转子齿数)的乘积。 我们根据前面所提出的电细分的数学模型（式 2-5） ，将求得的 42BYG020 步进电 机的两相绕组的正弦波电流参考信号幅值相等、相位差 90、32 细分的电流数据利用 C 语言或者 MATLA 转换为二进制代码存储存储器 EPROM 中。AT89S51 单片机的控 制，可以在 42BYG020 步进电机驱动器上实现整步、半步、单步、连续正反转及细分 驱动等多种工作模式。 根据以上设计，从而得出 AT89S51 单片机的引脚接线如图 4-3： 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 19 页 共 41 页 图 4-3 AT89S51 单片机的引脚接线图 4.2.2 数模转换器（DAC）的选择 因为本电路要求不高，只是对几组简单的数据的模拟转换，以及从经济和购买方 便考虑，我们选择了比较常见的 8 位的 DAC0832 转换器。 （1）DAC0832 的参数 DAC0832 是双列直插式 8 位 D/A 转换器。能完成数字量输入到模拟量(电流)输出 的转换。其主要参数如下：分辨率为 8 位，转换时间为 1s，满量程误差为1LSB，参 考电压为(+10-10)V，供电电源为(+5+15)V，逻辑电平输入与 TTL 兼容。其引脚如 图 4-4 所示所示。 图 4-4 DAC0832 的引脚图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 20 页 共 41 页 图 4-5 DAC0832 内部结构图 （2）DAC0832 的工作原理 从图 4-4 中可见，在 DAC0832 中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器， 它的允许锁存信号为 ILE，第二级锁存器称为 DAC 寄存器，它的锁存信号也称为通道 控制信号 /XFER 。 图 4-4 中，当 ILE 为高电平，片选信号 /CS 和写信号 /WR1 为低电平时，输入寄 存器控制信号为 1，这种情况下，输入寄存器的输出随输入而变化。此后，当 /WR1 由低电平变高时，控制信号成为低电平，此时，数据被锁存到输入寄存器中，这样输 入寄存器的输出端不再随外部数据 DB 的变化而变化。 对第二级锁存来说，传送控制信号 /XFER 和写信号 /WR2 同时为低电平时，二 级锁存控制信号为高电平，8 位的 DAC 寄存器的输出随输入而变化，此后，当 /WR2 由低电平变高时，控制信号变为低电平，于是将输入寄存器的信息锁存到 DAC 寄存器 中。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 21 页 共 41 页 图 4-6 DAC0832 的工作原理图 （3） DAC0832 的工作方式： 直通方式 ：当 ILE 接高电平， 、 、 和 都接数字地时，DAC 1 CS1WR2XFER 处于直通方式，8 位数字量一旦到达 DI7DI0 输入端，就立即加到 8 位 D/A 转换器， 被转换成模拟量。例如在构成波形发生器的场合，就要用到这种方式，即把要产生基 本波形的数据存在 ROM 中，连续取出送到 DAC 去转换成电压信号。 单缓冲方式 ：只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式，而用另一个锁存 2 器数据，DAC 就可处于单缓冲工作方式。一般的做法是将 和 都接地，使2RXFE DAC 寄存器处于直通方式，另外把 ILE 接高电平， 接端口地址译码信号， 接CS1WR CPU 的 信号，这样就可以通过一条 MOVX 指令，选中该端口，使 和 有效，WR CS 启动 D/A 转换。 双缓冲方式 ：主要在以下两种情况下需要用双缓冲方式的 D/A 转换。 3 需在程序的控制下，先把转换的数据输入输入缓存器，然后在某个时刻再启动 D/A 转换。这样，可先选中 端口，把数据写入输入寄存器；再选中 端口，把CS XFER 输入寄存器内容写入 DAC 寄存器，实现 D/A 转换。 在需要同步进行 D/A 转换的多路 DAC 系统中，采用双缓冲方式，可以在不同的 时刻把要转换的数据打入各 DAC 的输入寄存器，然后由一个转换命令同时启动多个 DAC 转换。先用 3 条输出指令选择