摘要：為了使電機的走位更為準確，達到精密控制的目的，設計了一種高精度的步進電機驅動方案。該方案基于MCU(C8051F012)+L297/L298(L6203)的經典架構，使用斬波恒流細分的驅動方法，在實際運行中具有良好的升降速曲線。實際運行表明，步進電機運行穩定，且具有步距角小、轉矩恒定、功耗低等優點。

　　步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的控制元件。在額定功率范圍內，電機的轉速只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機累積誤差較小等特點，使得在速度、位置等領域用步進電機來控制變得較為簡單。但步進電機并不能像普通的直流電機、交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號發生器、功率驅動電路等組成控制系統驅動后方可使用。在本文中，詳細介紹了一種新穎的電機驅動方案，它具有功耗低，精度高，使用靈活等優點。

　　1 系統原理
   
　　對于一個步進電機驅動系統來說，應包括信號發生、信號分配、功率放大等幾個模塊，下面對其逐一進行分析介紹，驅動系統原理方框圖見圖1。

　　1.1 脈沖信號的發生
   
　　電機轉速是由給入的驅動脈沖信號頻率決定的。在本驅動系統當中，脈沖信號由單片機C8051F012產生。C8051F012是Cygnal公司生產的高速MCU，內部集成了多個外設，其中共有4個16位定時器。在本脈沖信號產生模塊中，使用了定時器0及定時器1。其中，定時器0用于產生控制轉速的脈沖信號，其翻轉頻率設為 Vref。這樣，電機的基本轉動頻率定為f0 。

　　1.2 驅動信號的分配
   
　　一般情況下，步進電機根據環形分配器決定分配方式，各繞組的電流輪流切換，從而使步進電機的轉子步進旋轉。電機工作方式只有兩種，即整步工作和半步工作，而步距角已由電機的結構確定。由于在本方案中，對于電機步距角要求較高，基本步距已不能滿足其要求，故需要對電機進行細分驅動。即在每次輸入脈沖切換時，不是將繞組電流全部通入或關斷，只改變相應繞組中的額定電流的一部分，則轉子相應的每步轉動原有步距角的一部分。本方案中，驅動器工作在20細分狀態，其步距角只為電機固有步距角的1/20。具體以42BYGH023W 為例，固定步距角為1.8°。；而20細分狀態后，電機每次只轉動0.09°。細分功能完全是由驅動器靠精確控制電機的相電流所產生的，與電機無關。
   
　　在本驅動系統中，步進電機所需的細分脈沖由定時器1產生，脈沖頻率為f1，且有f1=20f0。當信號步進電機采用半步行走模式時，轉動精度可達0.045°。

　　1.3 細分斬波恒流驅動的軟、硬件實現
   
　　在步進電機驅動系統中，重要的就是電流驅動及功率放大部分。本系統中，該部分選用的是L297+L298構架，適用于對雙極性兩相步進電機或單極性四相步進電機的控制。L297主要用來接收C8051F012發出的信號脈沖，從而產生對功率級電路控制信號。L298為雙H橋驅動器，可用來驅動電壓為46V、每相電流為2.5 A以下的步進電機。若負載需更大電流驅動，可使用L297+雙L6203組合。
   
　　L297的主要功能是譯碼器，它根據接受驅動脈沖信號產生所需的相序。為了獲得電動機良好的速度和轉矩特性，相序信號是通過兩個PWM斬波器對電動機控制，每個斬波器用于雙極性步進電動機的其中一相或用于單極性步進電機的每對繞組。
   
　　以往驅動步進電機時，加到每相線圈上的是恒定電流，這造成了一定的損失。而在L297芯片內部，集成了斬波脈寬調制電路，即每個斬波器包含有一個比較器、一個觸發器和一個外部檢測電阻，如圖2所示。晶片內部的通用振蕩器為兩斬波器提供斬波頻率脈沖。外部時鐘脈沖輸入時，電機繞組相電流上升，當采樣電阻Rs電壓上升到基準電壓Vref時，比較器翻轉，使觸發器復位，功率晶體管關斷，電流下降，等待下一個振蕩脈沖的到來。故繞組相電流峰值由Vref 整定。這樣，根據負載的不同，只要調節Vref的大小，就可以改變線圈平均電流的大小。

　　由于電源電壓并不是一直向繞組供電，而只是一個個的窄脈沖，總的輸入能量是各脈沖時間的電壓與電流乘積的積分，取自電源的能量大幅度下降，這樣驅動系統就具有很高的效率，且降低了發熱量。
   
　　上面講了細分斬波恒流驅動的硬件原理，而其軟件實現過程是這樣的。每過一個細分信號周期，單片機輸出到L297端口的Vref 順次發生變化，使通過線圈的電流逐漸增大或減少，而不是一次通入或切斷。具體方法如下：由于是20細分，則先按正弦曲線公式，計算出各點的電壓值(Vref =Vin ×sin(nπ/40)(n=0，1，…… ，19)。該值經處理后存入到C8051F012的FLASHROM中去，每有一個細分脈沖發生時，程序調用FLASHROM中的數據，并將其通過D/A轉換成模擬電壓后，經運放放大后，作為的控制電壓。而在C8051F012內部集成了兩個12位高速D/A轉化器，省去了外接D/A的不便。但是，由于Vcc的輸入范圍為0-5 V，而DA輸出僅為2.4 V，故而DA轉化出的信號尚需運算放大器LM324的進一步放大。

　　從圖3的電流波形圖可知，細分后的輸出電流變化相當平穩，穩定并提高了電機的輸出轉矩。細分較不細分，輸出轉矩對各種電機都有不同程度的提升。而且，細分減小了步距角，大大提高了步距精度，從而提高了電機的分辨率。特別需要指出的是，細分后完全消除了電機的低頻振蕩。

　　2 步進電機加減速控制
   
　　從理論上說，每給電機驅動器一個脈沖(CP)，步進電機就旋轉一個步距角(細分時為一個細分步距角)，但是實際上，如果脈沖CP信號變化太快，步進電機由于慣性將跟隨不上電信號的變化，這時會產生堵轉和失步現象，所以步進電機在啟動時，必須有升速過程，在停止時必須有降速過程。一般來說升速和降速規律相同，這里以升速為例介紹，(見圖4)升速過程由突跳頻率加升速曲線組成(降速過程反之)。突跳頻率是指步進電機在靜止狀態時突然施加的脈沖啟動頻率，此頻率不可太大，否則也會產生堵轉和失步。升降速曲線一般為指數曲線或經過修正的指數曲線，當然也可采用直線或正弦曲線等。指數曲線在實際軟件編程中比較麻煩，這里采用事先算好時間常數存貯在計算機存貯器內，工作過程中直接選取的方法。即先計算出升速過程中，達到運行頻率時需要的總步數，然后根據指數曲線，算出在每個頻率階梯上需走的步數，將其存入到FLASHROM中，運行中直接調取。

　　升降速曲線的設計直接影響電機運行的平穩性、電機運行聲音、速度、定位精度等要素。

　　3 結語
   
　　該步進電機驅動器已經成功的應用于血液凝固分析儀的X—Y—Z行走系統的運動控制驅動單元，運行穩定可靠，且完全滿足精度要求。該驅動單元通過細分特性，提高了步進準確度和定位精度。在長時間的大力矩驅動過程中，由于其斬波恒流特性較好控制了發熱現象。這種細分斬波恒流驅動方式可以推廣到其他方面去。