兩相混合式步進電機驅動器設計

　　步進電機是一種運用廣泛的控制電機，其特徵是不使用位置反饋迴路就能進行速度控制及定位控制，即所謂的電機開環控制。相對於伺服電機，步進電機有著成本低廉，控制簡單等優點，尤其是兩相混合式步進電機，在工業運動控制系統中有著廣泛的應用。然而，傳統的驅動方式，比如單電壓驅動、高低電壓驅動、斬波恆流驅動等等，雖然已經應用十分成熟，但是只限於低速運行，並且細分度一般限制在1/2步距，無法很好消除低頻振蕩，以及定位精度差等缺點。細分驅動的出現很好地彌補了這一缺點。

　　常見的細分控制器一般由MCU、專用邏輯驅動晶片以及功率驅動模塊組成，這樣的驅動器雖然能滿足多細分驅動，但由於細分數量和效果會受到邏輯驅動晶片的影響，並且無法調整細分數和限流值、從而造成系統調試困難、矩頻特性差等缺點。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/329317.htm

　　本文使用ST公司的32位ARM單片機，加上MOSFET驅動模塊及電流傳感模塊，省去了邏輯驅動晶片。電機電流採用單片機內部AD採樣，控制邏輯算法直接由單片機軟體實現，MOSFET按照外部輸入的脈衝速度及內部的時序來運行，從而大大簡化了應用電路，提高了電路的通用性和驅動性能。

　　1 意法半導體STM32F103RB單片機簡述

　　STM32F103RB採用ARM公司最新的Cortex-M3內核，具有運行速度高、處理能力強、外設接口豐富等特點。由於其低廉的價格和很強的控制、運算性能，被廣泛運用於電機控制。其具體性能指標如下：1)工作頻率：最高72 MHz;工作溫度範圍：-40～+85℃;寬電壓供電：2.0～3.6 V;2)128 k字節的快閃記憶體存儲器和16 k的SRAM;3)12位16通道AD轉換器具有雙採樣和保持功能，轉換時間最短1μs。4)3個16位通用定時器，每個定時器有多達4個通道，用於輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈衝輸出;1個16位帶死區控制盒緊急剎車，用於電機控制的PWM高級控制定時器。

　　2 細分驅動原理

　　一般兩相步進電機驅動分為單極型和雙極性驅動兩種，單極型驅動適用於6線制電機，這樣的驅動方法等於將兩相電機轉變為四相電機，從表面上看步距角缺損減小了，實則是以犧牲電機的拖動轉矩換來的，這樣電機的帶負載能力就會大大下降。而雙極型驅動則主要針對兩相四線(或者八線制)電機，一般機械步距角為50齒1.8°(也可為100齒0.9°價格較貴)，故細分驅動技術主要是通過對步進電機的相電流進行階梯化控制，使電機的以更小的單位步距角運行，從而減小步長和低頻振蕩。

　　細分驅動的思想是把原來簡單的對轉子電流的通斷過程改變為逐漸的改變各相繞組的電流大小和方向，使電機內部的空間合成磁場逐步改變，這樣就能把原來的一個步距角的通電方式改變成為跟隨電流的階梯波，變成多步。具體的計算方法如下：

　　轉矩T在一般情況下可表示為：

　　T=KT·(-Iasinθ+Ibcosθ) (1)

　　式子中KT在理想狀態下的比例常數，θ為轉子的電角度位置。

　　如果兩相步進電機的矩角特性是正弦波，則給繞組通入如下電流：

　　Ia=Im·cosβ

　　Ib=Im·sinβ (2)

　　β為電機希望定位的電角度。

　　將式(2)代入式(1)，則

　　T=KT·Im·sin(β-θ) (3)

　　從而可見，兩相混合式步進電機的細分就是控制兩相繞組中的電流大小。理想狀態下，電機內部的磁場為圓形空間旋轉磁場，使步進電機按照交流同步電機的方式旋轉。而AB相的理想電流為正弦波，而一般情況下通過階梯波來模擬正弦波，從而達到恆轉矩幅值的控制效果。而轉矩的大小由合成磁場的矢量來決定，即相鄰兩個合成磁場的夾角為細分步距角。

　　每當β變化一度，則步進電機走過1/360的電角度，例如一般的8細分控制，則β的步長為π/16。所以為了實現對兩相混合式步進電機的恆轉矩細分控制，就需要在電機的兩相繞組中通以按正弦規律變化並互差90°相位的的兩相電流，階梯越細小，越接近於正弦波，步距角也越小，細分效果越好。

　　

　　3 系統硬體設計

　　基於STM32F103RB驅動系統的硬體部分主要由信號輸入端、電源輸入端、電源模塊、MOSFET驅動模塊、H橋模塊和採樣放大模塊組成。總體硬體圖如圖3所示。

　　

　　3.1 輸入信號

　　在硬體設計中，需要從外部輸入3種信號：Enable使能信號、Dir電機轉向信號以及Frequency速度脈衝信號。Enable信號為使能信號，為防止電機在停止時，定子繞組仍然通電造成的電機發熱而設置的電機轉子斷電信號。Dir信號控制電機的轉向;而Frequency信號為外部控制器件發出的方波脈衝信號，此信號的頻率將決定電機的轉速，3個控制信號均由光耦與內部隔離。

　　驅動器上電前需通過撥碼開關設置細分數和限流值，目前細分最多支持16細分，限流值一般為電機繞組可承受的最大電流的1.2倍左右，可以設置6檔限流值。驅動器最大可承受4 A的電流。

　　3.2 系統電源

　　驅動系統的電源由一個外部輸入的24～48V的直流電源輸入接線端，然後通過BUCK降壓晶片至5 V為內部光耦、比較器和運放供電，然後將5 V通過LDO降至3.3 V給MCU供電，這樣MCU能獲得相對乾淨的電源。另一路外部電源經過電阻分壓，產生一個15 V電源用於MOSFET驅動晶片IR2010的供電。

　　3.3 驅動電路

　　MOSFET驅動部分採用IR公司的IR2101S驅動晶片來驅動雙H橋，從而靠雙H橋來控制一個四線制步進電機。IR2101是IR公司生產的一款高性價比驅動器，使用方法非常簡單，性價比高，能輸出100～210 mA電流。IR2101驅動器可驅動一組功率管，整個功率電路需4片即可，這樣不但節約製造成本，而且還提高系統穩定性。其驅動電路如圖4所示。

　　

　　3.4 電流檢測和過流保護

　　本系統使用採樣電阻來採集經過H橋(即電機的定子電流)。此處採樣電阻阻值比較大時，會使電阻分壓過大，造成H橋的低端電壓高於地電壓，影響系統的穩定性，而阻值太小又會使信號過小影響檢測精度，所以本系統選用0.1Ω電阻作為採樣電阻。然後經過LMV358放大後，成為0～3 V的電壓信號，在經過一個跟隨器後，進入MCU片上AD，進行數模轉換，放大後的信號還連接一個比較器用於過流保護。

　　4 系統軟體設計

　　系統軟體主程序框圖如圖5和圖6所示，圖5為主程序軟體框圖，圖6為ADC中斷軟體流程圖。

　　

　　主程序處於死循環狀態，每次外部信號Enable後，就會鎖存外部的控制頻率，方向，限流值，細分度等信號，然後進行內部參數初始化，等待刷新定時器計時完畢後就開始按照計時中的ADC中斷及定時器中斷完成的參數計算進行調節位置和速度。

　　其中ADC在每個PWM的上升沿觸發，採樣兩相電流進行處理，並且將其送給PI調節器調節PWM佔空比，並且每次都會與限流值進行比較，一旦電流超過限流值，則自行執行脫機。這些程序在中斷中完成，可以是系統更具有實時性。另外，每次走完一個階梯的波形後，程序將觸發timer3計數器，進行細分步數的計算，從而快的調整個周期的細分數。Timer3程序流程圖如圖7所示。

　　

　　電機的細分步數為每次Enable之後方能調整，而細分值表則由計算好的正餘弦參數存於MCU Flash中。

　　5 結論

　　本系統採用電流實時採樣並進行PI調節，使兩相混合式步進電機的恆轉矩運行，真正達到了電流矢量不變控制，在測試中能夠有效的降低低頻振蕩，並且，在16細分的狀態下控制工作，大幅度的減小了噪聲和阻尼振蕩，是一種有效的控制步進電機的手段。