步进电机驱动控制设计与实现

詹庄春

(华南农业大学珠江学院，广东 广州 510900)

步进电机模型及其仿真普遍地渗入到实践教学中，不负众望，经过简单开环设计，其硬件模型低速运行平稳、定位精度高;相比之下，在高速运行时，其仿真不理想，出现了“丢步”和“颤动”的问题。于是改进硬件电路，修善程序设计，且当功能实现后，做出了应有的理论分析。

1 步进电机的结构原理

往下皆以四相八拍反应式步进电机为例，采用单极性直流电源供电，其结构原理如图1所示。定转子铁心均由软磁材料或硅钢片叠成凸极结构，磁极上可开小齿，定子磁极上套有控制绕组，转子上没有绕组。

图1 四相八拍步进电机结构原理示意图

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，即当步进驱动器接收到一个脉冲信号，便驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度即步矩角，其中错齿是促使电机旋转的原因［1］。通过控制脉冲个数可以控制角位移量，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的转速，从而达到调速的目的。

2 驱动控制设计思路

据步进电机的结构原理可知，四相八拍触发方式为A→AB→B→…→A，为实现其相序，可采取步进电机专用控制芯片L297。通过时钟步进驱动，L297能产生4相信号、以8拍方式控制步进电机，其芯片内的PWM斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电流，该集成电路使用5V的电源电压，全部信号的连接都与TTL/CMOS或集电极开路的晶体管兼容。

为实现对步进电机的驱动，可采取步进电机专用驱动芯片L298，其内部包含4个逻辑信道和1个双全桥式H－Bridge的高电压、大电流驱动器，接收TTL逻辑信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接通过电源来调节输出电压［2］。此芯片配合L297一起使用。

3 系统仿真电路的实现

该系统选用20BY－0型四相步进电机，主要包括单片机AT89C51最小系统、控制电路、驱动电路和显示电路四大部分［3］，使用单片机仿真软件Proteus，利用按钮“开始”和“停止”模拟系统电源的开关，仿真电路见图2。最小系统主要保证单片机正常工作;控制电路由开关和按键组成，可实现速度加减和转向的控制;驱动电路对脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动;显示电路是为了显示电机的工作状态和转速。

图2 步进电机控制系统仿真电路图

内部程序检测P3.4和P3.5的状态来调用换向程序，由P2.0口控制L297的方向控制端(CW/CCW)。根据P3.2和P3.3的状态来改变输出脉冲频率，由P2.1控制时钟输入端，使L297输出四相八拍工作所需的适当相序。L297的四相输出接L298的IN1～IN4，使其OUT1～OUT4输出放大后的四相驱动信号，驱动步进电机运行。通过P1口的P1.0～P1.7控制LM016L显示步进电机的转速转向。

4 系统程序设计流程

程序要完成的主要工作有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等，系统主程序流程见图3a。其中，由定时器中断子程序控制电机的转向;由外部中断子程序改变速度值存储区中的数据(即时钟周期)，从而改变电机的转速，中断子程序流程见图3b。

图3 步进电机控制系统程序流程图

5 仿真结果与分析

经仿真可知，步矩角为45°，电机可实现正反转，转速加减可调，不存在丢步现象;低速运行稳定性极强，但高速运行稳定性稍差，以下对此进行理论分析。

步进电机属于一种定子单边激励，定、转子均为凸极结构的磁阻电动机，由于定子电流由变频电源供电，电动机必须在开关模式下工作。忽略磁饱和，认为磁路是线性的，此时定子绕组电感L仅与转子位置θ有关，而与电流无关，即L=L(θ)，转子转动θ增加，当定子极弧逐步覆盖转子极弧，L值将直线上升，反之则直线下降，A相电感LA随θ的变化曲线见图4a。若仅有A相激励(其他依次滞后45°)，设磁能为 W(iA，θ)，由电感 LA(θ) 的变化所产生的磁阻转矩TeA［4］为

由式(1)可见，假设定子电流为理想的矩形脉冲，则转矩恒定，合成转矩见图4b。

图4 LA(θ)和合成转矩Te曲线图

实际上由于绕组中存在电感，电流不可能突变。参考图4，稳态运行时的A相磁链初始值ψ0=0，忽略定子电阻，设电感上升斜率为k、下降斜率为 －k、转速为Ω(单位:弧度 /秒)，则有

当A相关断后绕组续流［5］，电流衰减，有

式(4)和式(7)为一周期电流iA表达式，实际电流波形还与L297的控制方式密切相关。当电机高速运行时，反电势上升，电流幅值较低，其波形见图5a。当电机低速运行时，电流幅值较高，斩波器通过控制上、下限Imax和Imin来得到电流平均值Iav，其波形见图5b。

图5 高速和低速运行时的电流波形

转矩波形与电流波形类似。从图5可以看出，高速运行时合成转矩波形将会出现畸变;而低速运行时合成转矩波形接近于矩形波，且幅值较大。

6 结论

步进电机结构简单、效率较高、价格较低，调速范围较宽。通过对定子边激励信号进行功率放大，高速运行时不存在丢步现象，但存在一定的转矩脉动，稳定性稍差。进一步改进的方向是减小步矩角，可选用小步矩角步进电机。而增加转子的齿数是减小步进电动机步距角的一个有效途径，并且有利于提高控制精度［6］。

［1］韩利虎.浅谈步进电机的基本原理［J］.内蒙古石油化工，2007，(11).

［2］马丽.基于单片机步进电机的控制系统设计［J］.黑龙江科技信息，2013，(24).

［3］房玉明，杭柏林.基于单片机的步进电机开环控制系统［J］.电机与控制应用，2006，(4).

［4］汤蕴璆，史乃.电机学(第2版)［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［5］王兆安，刘进军.电力电子技术(第5版)［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［6］王欢.基于ANSYS的混合式步进电机静态磁场及转矩特性研究［D］.杭州:浙江大学，2012.