探析步进电机细分驱动在降低打印机起步压缩度中的应用

摘要：通过控制步进电机中多相绕组中的电流，使其维持一定的上升或下降频率，从而在零电流与最大电流之间形成多个稳定的中间电流，实现细分布局旋转的驱动方式，应用于降低打印机起步压缩度时，具备较大的可行性。本文对步进电机细分驱动及其应用于降低打印机起步压缩度的控制算法进行介绍，以供参考。

关键词：步进电机;细分驱动技术;起步压缩度;细分布局旋转

0.    引言

步进电机是指将电脉冲信号转变为角位移或者线位移的一种开环控制元件。在正常情况下（不出现超载情况），流经电机电脉冲信号的频率、脉冲数，可以不受负载变化的影响，直接决定电机的转速以及停止位置。步进电机细分驱动技术源于20世纪70年代中期，能够改进步进电机的综合性能，提升控制效率。

1.    步进电机细分驱动技术简介

1.1  步进电机细分驱动控制系统结构简述

现代步进电机基于嵌入式微处理器，通过独立的PWM（即脉冲宽度调制，经由微处理器的数字输出，对模拟电路进行全面控制）模块，对步进电机中独立产生的多路电机信号进行精确控制。与传统控制模式的区别在于，步进电机细分驱动与针对性、功能性控制模式无需借助及其复杂的程序算法，在大框架不变的情况下，可以通过脉宽调制与功能调用，完成对电机的控制。其主要结构如下：首先，控制系统包含四项组成部分，即步进电机、细分驱动电路、以微处理器（以PLC可编程逻辑为代表）构成的专用控制电路、嵌入式工控系统。其中，电机作为受控端，依次接受来自其他三个模块的指令，从而完成各项功能。其次，嵌入式工控系统中将特定的运动方式，通过程序算法的形式完成设定，进而将运动方式传递至以微处理器构成的专用控制电路，在复位的同时，完成初始化作业。最后，控制信号输出方向、系统启动、控制PWM均有控制电路传递至步进电机细分驱动电路，并将多相电流传至电机，实现系统各项功能。

1.2  步进电机细分驱动控制理论模型构建方式

在步进电机细分驱动的过程中，影响控制精度的核心问题在于，驱动频率可能达到甚至超过20kHz。根据脉冲控制的一般规律，高频率脉冲信号尽管有助于降低驅动电路系统中的噪声等干扰项，但步进电机也会同时受到高频率信号的冲击，导致失步现象。因此，为了避免高频率的影响，尽可能地减少或或完全避免失步现象，需要构建理论模型，对步进电机细分驱动的控制过程进行调整。具体形式为：（1）设定步进电机加减速度的模式（针对匀速时间为0的情况展开分析），使电机驱动控制系统处于“整体加速阶段，脉冲信号每输出一次后，定时器记录信息值增加‘1”的状态。此时，定时器记录值为tn，脉冲信号周期为Tn，脉冲频率为f（nn表示加速脉冲）。电机控制系统骤然启动时的速度为0，将定时器的初始值设定为D0。当系统整体处于加速阶段的第一个脉冲周期时，上述参数相互之间的关系和取值情况为：

Tn=Dn/f0，此时的tn取值为0。      （1）

进入第二个脉冲周期后时，控制系统的运行方式受到细分驱动程序算法的影响，转变为：

Tn=（Dn-β）/fn，经过转换后，得出Tn=T1-（n-1）β/f（01）（2）

此时可以对脉冲时间进行如下定义：

tn=T1+T2+……+Tn-1       （3）

经过变换后，得出tn=（n-1）T1-（n-1）（n-2）·β/2f0   （4）

此时的脉冲频率Tn=1/fn=T1-（n-1）β/f0   （5）

当脉冲时间、脉冲频率得到确认之后，对两项参数进行简化，得出两者之间的关系为：

由此可见，当脉冲信号速度不断降低时，脉冲频率也会随之减小，从而达到细分驱动控制的目的[1]。

2.    步进电机细分驱动技术在降低打印机起步压缩度中的具体应用

步进电机细分驱动系统应用于打印机起步压缩度降低时，可以采用常规的PWM脉宽调制驱动技术，利用晶体管的开关特性（有效降低发热强度），并将脉冲信号的占空比控制在理想区间内。基于PWM的步进电机细分驱动控制原理为，DSP控制芯片输出PWM脉冲信号，驱动放大电路运转，控制步进电机完成转动。基于上述思路，设置降低打印机起步压缩度的程序算法时，可以基于多种控制函数曲线（如直线型、指数递增型、阶梯型和S变换型等），依照相似的原理，实现有关功能。总体思路为：首先，DPS处理器模块与细分控制集成电路模块完成程序算法的监督与运转，避免出现干扰信号;其次，两个D/A转换电路模块分别与电流比较电路（与A、B两相绕组电流采集电路模块相连）形成循环控制模式;最后，两相混合式步进电机集中控制A相、B相绕组，经由H桥驱动模块，接受来自细分控制集成电路模块传递而来的控制信息，将反馈结果经由各自的电流采样电路，传递回细分控制集成电路模块，实现循环控制过程[2]。

基于上述控制方式，对步进电机脉冲信号的各项参数进行询问式判定，最终项为“脉冲信号目标速度是否与当前速度维持一致”，如果给出的回答为“是”，则说明打印机起步压缩度控制子程序的功能已经完全实现。此时，将示波器与打印机、步进电机控制系统相连接，显示出的波形较为稳定，能够维持规律性的正弦变化，且在最终打印出的结果显微图中，各字符的分布十分均匀。

3.    结语

步进电机细分驱动技术的核心原理在于，为步进电机的多相励磁绕组轮流给予电流，使电机内部自带的磁场合成方向出现定向变化，进而带动电机旋转。在单片机控制模式大行其道的年代，步进电机的细分驱动控制更加便利，应用于打印机控制时，能够有效降低其起步压缩度，从而提升打印精度。

参考文献：

[1]   伍艳雄，黄勇，高林，等.步进电机细分驱动控制系统设计与实现[J].湖北民族学院学报（自然科学版），2019，37（4）：458-462.

[2]   朱承志.基于THB7128驱动步进电机应用电路设计[J].科技风，2020，（17）：119，124.

作者简介：

陶新星（1986年7月），男，浙江嘉兴人，本科，工程师，机械设计开发.