步进电机控制电路的实现方法（转载）
步进电机控制电路的实现方法
王希友
摘要：为在现有的基础上提高步进电机的运行稳定性，降低低频振动以及高频失步等问题的发生概率，可对细分控制技术进行合理运用。从步进电机及细分控制的基本原理分析入手，论述了步进电机细分控制电路的实现方法。
关键词：步进电机;细分控制;电路设计。
中图分类号：TP273;TM383.6 文章编号：1674-2583(2019)11-0026-02
DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2019.11.009
中文引用格式：王希友.步进电机控制电路的实现方法[J].集成电路应用, 2019, 36(11):26-27.
Realization of Stepping Motor Control Circuit
WANG Xiyou
Abstract — In order to improve the stability of stepper motor and reduce the probability of low frequency vibration and high frequency out of step, the subdivision control technology can be used reasonably. Starting from the analysis of the basic principle of stepping motor and subdivision control, this paper discusses the realization method of subdivision control circuit of stepping motor.
Index Terms — stepping motor, subdivision control, circuit design.
1 引言
步进电机又被称为步进器，属于感应电机的范畴，其能够按照电磁学的原理将电能转化为机械能。在现代数控系统中，步进电机是不可或缺的主要执行元件之一，步进电机借助电子电路，可将直流电变成分时供电、多相时序控制电流。在步进电机正常运行时，可以通过细分控制进一步提升电机稳定运行的频率范围，并增加分辨率、减小低频振动及噪音、温升和高频失步[1-6]。
2 步进电机的细分控制原理
步进电机细分控制的基本原理如下：根据细分数，将整步的步距角或是半步的步距角，划分成为 n 个步距角度，并保证均匀性，从而使电机能够通过 n 步转过整步或半步的步距角。步进电机在工作时，可能会出现步距角无法满足使用要求的情况，此时便可以利用细分控制的方法，将一个步距角细分为多步，在这一过程，步进电机 A 相和 B 相的电流大小会发生改变，合成磁场的夹角也会随之发生变化，从而实现对步进电机的有效驱动，满足具体的使用需求。由于两相步进电机的性价比较高，配上细分驱动器之后效果良好，所以这种类型的步进电机应用最为广泛，约占市场份额的 97% 以上。在两相步进电机中，如果 A、B 相绕组同时通电，那么转子会停留在两相磁极的中间位置处，当通电顺序按照 8 个固定的状态，周而复始地变化，电机会以顺时针进行转动，每次转动的步进角均为 45º，转动 8 次，达到 360º，即一周。通过细分控制，能够使步进电机的转动更加平稳。
3 控制电路的实现方法
3.1 细分控制方式的选择
目前，比较常见的异步电机细分控制实现方式有以下两种，即 PWM 和 SPWM。
(1)脉冲宽度调制 PWM。这是一种模拟控制方式，具体是指按照载荷变化，对晶体管基极的偏置进行调制，从而改变晶体管的导通时间，实现开关稳压电源输出的改变，该方式最为突出的特点是能够使电源的输出电压在工况变化时，保持恒定状态，PWM 能够利用对脉冲宽度的调制，达到等效获取所需波形的目的。在电路中，PWM 可通过对脉冲占空比的改变，来获得所需的输出电压。
(2)正弦脉宽调制 SPWM。根据正弦规律变化及正弦波等效的 PWM 波形，对脉冲宽度进行调制。SPWM 比较常见的实现方式有等面积法、软件生成法、硬件调制法。
(3)方式选择。通过对上述两种实现方式的原理进行分析可知，SPWM 的计算过程相对比较烦琐，从而使得所需的计算量比较大，计算所得的结果，会占用大量的内存空间。不仅如此，SPWM在实时控制方面的效果并不理想，因实现过程需要加入杂波信号，使整个控制系统的结构变得过于复杂化。PWM 具有原理简单、易于控制和实现等特点，控制电路的复杂程度不高，鉴于此，可选取PWM 作为步进电机细分控制电路的实现方式。
3.2 硬件电路的设计与实现
(1)系统架构。为实现步进电机细分控制，开发一套相对完善的细分控制系统，该系统的核心控制元件是微处理器，选用的是 STM32 系列产品，驱动芯片选用的是 TC1005，电流采样通过下桥臂电阻实现，借助上位 PC 机与下位机之间的实时通信，完成步进电机的细分控制。
(2)控制与驱动单元。① 控制单元。本次设计中，选用的 STM32 微处理器芯片引脚数量为 144，为便于模块化的实现，决定在布局时将 STM32 芯片与支持功能电路分开。具体做法如下：印制电路板整体布局，预留 I/O 接口，将晶振、复位以及 BAT 三个电路分开设计。步进电机细分控制系统在正常运行的过程中，如果电源因故掉电，则会对控制效果造成影响，为避免此类问题的发生，在细分控制系统设计中，加入备用供电，借此来提高系统的运行稳定性。② 驱动单元。在本系统的设计中，驱动芯片选用的是 TC1005，其不但精度高，而且节能效果好，芯片本身自带微步，最高能够支持的细分数为 256，具有方向和 SPI 通信接口，通过对不同 MOS 管(金属氧化物半导体场效应晶体管)的选择，能够对不同尺寸的两相步进电机进行驱动。该芯片采用的是 LQFP 封装，引脚数量为 32。
(3)电路设计。① 转换电路。本次设计开发的细分控制系统主要针对的是二相步进电机，由于此类电机的工作方式为双极性驱动，所以在驱动硬件设计时，加入 H 桥功率转换电路，解决电机双向电流流通的问题。对于二相步进电机而言，需要两个 H 桥，通常情况下，4 个开关管能够构成一个 H 桥，2 个 H 桥需要 8 个开关管，由于本次设计开发的细分控制系统采用的是双通道芯片，所以只要 4 个芯片，便能构成 2 个 H 桥。同时为使采样电阻能够对来自金属氧化物半导体场效晶体管桥的尖峰值进行有效吸收，应当选择低感抗的电阻，并且不能与系统接地相连，以免造成电流串扰。因此，采用并接大电容的方法，对干扰问题进行抑制，防止驱动芯片受损。② 电源电路。本次设计的硬件电路是利用 24 V 开关电源为细分控制系统进行供电，本系统需要三个等级的电压，即 3.3 V、5 V 和 24 V，所以在对电源电路进行设计的过程中，可以通过稳压电路，将 24 V 电压转换为 5 V 和 3.3 V 电压。为确保电压的顺利转换，在设计中加入开关型稳压器件，借助该稳压器件，可将 24 V 电压稳压至 5 V。此外，系统控制单元的 STM32 芯片需要 3.3 V 电压，对此可选用 AMS117 系列稳压器件，将 5 V 电压稳压至 3.3 V。之所以选用 AMS117 系列稳压器件，除了因为其性价比高之外，该器件内部集成过热保护和限流线路，这样能够使电平转换的稳定性获得进一步提升。③ 隔离电路。步进电机是凭借电磁学的原理，实现电能与机械能的转换，也就是说，步进电机本身具有电磁特性，这个特性会对细分控制电路产生电磁干扰。因此，在设计中，采用光电隔离电路，将控制单元中的 STM32 芯片，与驱动单元中的 TC1005 芯片隔离开。该电路最为突出的作用是隔离输入/输出电信号，如步进脉冲信号、方向信号等。④ 接口电路。在本系统的设计中，控制板与上位 PC 机之间的通信是通过 USB 接口来实现，这样能够使上位 PC 机对步进电机的运行进行智能调控。对接口电路进行设计时，选用 CH340G，这是一个 USB 总线转接芯片，它在印制电路板上所占的面积比较小，且各方面性能均可以满足细分控制系统的需求，并不会发生丢失数据等情况。
(4)抗干扰设计。在系统硬件电路设计中，抗干扰是必须重点考虑的问题之一，只有避免干扰，才能确保系统的运行稳定性，也才能使其作用得以最大限度地发挥。本次设计开发的细分控制系统的硬件电路包括转换电路、H 桥电路等等，它们之间不可避免地会产生高频干扰。不仅如此，二相步进电机以感性负载为主，电机运行时，还会产生电磁干扰，所以必须在设计时，采取有效的防干扰措施。本次设计采用隔离与滤波技术对干扰问题进行解决。
3.3 细分程序设计
在本次设计中，硬件电路是细分控制得以实现的基础，而软件程序则是细分的关键之所在。具体设计中，步进电机步距角的细分数可通过给定初始值的方法进行设定，当驱动电路中，输入一个步距脉冲后，程序便会相应输出一个正弦函数值，对该布局脉冲进行细分，并将细分之后的脉冲，作为电机绕组的驱动电流。
4 结语
为提高步进电机的运行稳定性，降低各种问题的发生概率，可对细分控制技术进行运用。具体应用时，可将硬件电路的实现作为重点环节。通过系统对步进电机实现细分后，能够使步距精度及分辨率得到显著提高，从而满足不同场合的使用需要。
参考文献
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[6] 黄勇,廖宇,高林.基于单片机的步进电机运动控制系统设计[J].电子测量技术,2008(05):150-154.
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