步进电机细分驱动技术的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 1.98MB 60 页 15积分
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摘 要
步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电元件，具
有易于开环控制、无积累误差等优点，在众多领域获得了广泛的应用。而步进电
机的运行性能与其使用的驱动器有着密切的关系，故对步进电机驱动器的研究越
来越受到人们的重视。为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出
现了步进电机细分驱动技术。
就步进电机的驱动技术而言，细分驱动具有良好的控制效果，能够有效地解
决电机低频振荡问题，提高了电机在中、低速运行时的性能,同时使得电机的步距
精度更高。而将步进电机细分驱动控制电路集成在一块芯片中，可以使得步进电
机在实现细分驱动，得到优良运行性能的同时，让整个驱动电路系统的组成更为
简单，可靠性更高，控制更为方便。
本文介绍了两相混合式步进电机的工作原理和磁网络模型，推导了绕组的磁
链方程、电磁转矩方程。由步进电机细分驱动原理和电磁转矩方程，得到均匀细
分控制时步进电机的数学模型，采用基于电流矢量恒幅均匀旋转的细分控制技术，
对步进电动机绕组中电流进行控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋
转磁场。合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场
矢量的夹角大小决定了步距角的大小。
该驱动器以单片机 PIC18F4520 为控制核心，选用 TLP521-4、H 桥式电路等构
成驱动电路，论文从驱动器技术方案、硬件电路、控制软件设计方面进行了详细
地论述。
采用电流矢量恒幅均匀旋转的细分控制技术使电机平稳运行，提高了运行精
度，输出转矩在一定转速范围内恒定，且细分选择数目多，只要改变存储器内电
流波形的值，就可以实现 1～256 范围内任意细分数。
最后对所设计的两相混合式步进电动机驱动器进行了简单的性能测试。测试
结果表明:该驱动器达到了系统设计前所提出的各项设计指标。系统运行安全、可
靠、稳定。整个系统电路简单实用、性能优良、通用性强。设计原则适用于各种
步进电动机，有一定的实用价值。
关键字：步进电机 PIC 单片机 细分驱动 PWM 控制
ABSTRACT
Step motor is a kind of electromechanical component that is driven in step angle or
line displacement by electric pulse signal. Because of having the advantage of easy
open-loop control and no accumulating error, stepper motor is being applied widely in
many fields. The performances of stepping motor are related closely with its driver,
consequently, the study on driver of stepping motor gets more and more attention. In
order to meet the requirement of high-precision orientation and moving smoothness,
subdivision driving of stepper motor is adopted.
As for the drive technique of stepping motor, subdivision drive behaves better in
controlling, using subdivision drive method in the system can markedly decrease low
frequency vibration of the motor and enhance motor’s accuracy. at the same time,
integrated subdivision driver of stepping motor makes drive circuit simpler in structure,
higher in security and more convenient in controlling as well as the subdivision drive is
realized with excellent performance.
This article analyzes the structure and the work principle of 2-phase hybrid
stepping motor, establishes a nonlinear dynamic model, and also presents the expression
of the winding flux linkage equation, rotation voltage equation, the rotor equation of
motion and the transfer function.. According to the character, the paper uses subdivision
control technology, which is based on current vector even rotation with constant
amplitude, to control the exciting winding current and to produce rounded and even
inner complex magnet field. .The value of complex magnet field vector decides the
value of motor torque; the neighboring two complex magnet field vectors decide the
value of step angle.
The driver takes single chip PIC18F4520 as the control core, selects TLP521-4 and
the H-bridge as the driver circuit. The paper discusses the technology of driver, the
hardware and software designing in detail.
Using subdivision control technology, the motor operates smoothly, the operation
precision is increased and the torque is constant. The range of subdivision can be
regulated from 1 to 256 only by changing the current waveform value in the memory.
At last, a whole test for driver is made. The experiment result indicates that this
driver reaches the qualities required. The system runs smoothly and safety. The circuit is
simple, and has a good performance. The design principle fits many kinds of stepping
motor, and has a good practical value.
Key words：Stepper motor, PIC single chip, Subdivision driving, PWM
control
目 录
中文摘要
ABSTRUCT
第一章 绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
§1.1 引言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
§1.2 步进电机及其应用发展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
§1.3 步进电机应用中主要制约因素及解决方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
2
§1.4 步进电机细分驱动技术的现状与发展趋势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
3
§1.4.1 步进电机驱动器研究应用的现状．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
§1.4.2 步进电机驱动技术的发展趋势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
§1.5 本论文要完成的任务．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
第二章 步进电机概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
§2.1 步进电机的特点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
§2.2 步进电机的分类．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
§2.3 步进电机的原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
§2.4 步进电机的主要特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
第三章 两相混和式步进电机的结构及数学模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
§3.1 两相混和式步进电机的结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
§3.1.1 两相混和式步进电机 42BYGH．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
13
§3.1.2 两相混和式步进电机的内部结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
§3.1.3 两相混和式步进电机的控制方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
§3.2 两相混和式步进电机控制的数学模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
§3.2.1 两相混和式步进电机的磁链分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
17
§3.2.2 两相混和式步进电机电磁转矩的数学模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
第四章 步进电机驱动控制技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
§4.1 驱动系统的组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
§4.2 步进电机的驱动技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
§4.2.1 单电压驱动．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
22
§4.2.2 高低电压驱动．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
22
§4.2.3 恒流斩波驱动．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
§4.3 步进电机细分驱动技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
§4.3.1 步进电机的合成磁场分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
25
§4.3.2 两相混和式步进电机的细分驱动控制论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
第五章 细分驱动的硬件电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
§5.1 系统总统概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
§5.2 单片机主控电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
28
§5.2.1 PIC18F4520 的简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29
§5.2.2 晶体振荡电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30
§5.2.3 复位电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
31
§5.2.4 I/O 口电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
§5.3 功率驱动电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33
§5.3.1 SPWM 正弦脉宽调制控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33
§5.3.2 信号隔离．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36
§5.3.3 H 桥驱动电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．37
§5.4 电流反馈电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
38
§5.5 系统供电电源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．39
第六章 系统的软件设计及实现测试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41
§6.1 系统系统软件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
41
§6.1.1 软件设计的基本原则．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41
§6.1.2 主程序设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42
§6.1.3 中断服务程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
42
§6.2 系统实现测试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．....43
§6.2.1 集成开发环境．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
43
§6.2.2 系统运行测试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
45
第七章 总 结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．48
§7.1 主要研究内容及成果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
48
§7.2 系统存在的问题及不足．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
48
§7.3 后续展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．49
附 录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．50
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．54
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．56
致 谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．57
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 引言
步进电机是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机
械装置,它具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，由于其可以实现数字信号转
换，因此，目前它是自动控制系统以及数字控制系统中广泛采用的执行元件，如
在数控机床、打印机、绘图仪、机器人控制、石英表等场合都有应用。
随着新材料、新技术的发展及电子技术和计算机的应用，步进电机及其驱动
器的研制和发展进入了新阶段。过去，人们认为伺服 系统一定优于步进系统的观
念也发生着很大的变化，现代的步进系统已完全不是过去的步进系统。定位驱动
装置已经过“步进--直流伺服--交流伺服”，再度回到步进系统。步进系统的回归
源自于其无需反馈就形成了开环控制系统，使系统结构大大简化、使用维护更加
方便、工作更加可靠，在一般使用场合具有足够高的精度等特点。但是，步进电
机受到其自身制造工艺的限制，整步分辨率受到限制，失步、振动和噪音也严重
的制约了步进电动机的应用。建立在电流波形控制技术基础上细分驱动技术能有
效的克服这些缺点。
§1.2 步进电机及其应用发展
步进电机又称脉冲电机或阶跃电机,国外一般称 Step motor、Pulse motor 或
Stepper server。就传统的步进电机来说，步进电机可以简单地定义为，根据输
入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度（或长度），若不改变励磁状
态则保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电机是一种受电脉冲信号
控制的直流电机，也可以看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同
步电机[1]。
步进电机是一种完成增量运动的电磁机械，它能将输入电脉冲信号转换成机
械的运动量加以输出。每一个脉冲都可以使步进电机的转轴前进一个步进角，并
依靠它特有的定位转矩,将转轴准确地锁定在指定的空间位置上。步进电机天生就
是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。它的设计以精
确的定位作为主要目标，要求堵转转矩大、定位精度高，在结构上保留着组合电
磁铁的基本特征，亦即电动机各绕组之间的磁场是彼此孤立的。步进电机是根据
组合电磁铁理论设计的，力求各相绕组之间没有互感，定转子都采用凸极结构，
不考虑空间磁谐波的有害影响，尽量去增加定位转矩的幅值和定位精度。
步进电机区别于其他控制用途电动机的最大特点是，它接受数字控制信号（电脉
冲信号），并转换成与之相对应的角位移或直线位移。它本身就是一个完成数字/
模拟转换的执行元件。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规
摘要：

摘要步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电元件，具有易于开环控制、无积累误差等优点，在众多领域获得了广泛的应用。而步进电机的运行性能与其使用的驱动器有着密切的关系，故对步进电机驱动器的研究越来越受到人们的重视。为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现了步进电机细分驱动技术。就步进电机的驱动技术而言，细分驱动具有良好的控制效果，能够有效地解决电机低频振荡问题，提高了电机在中、低速运行时的性能,同时使得电机的步距精度更高。而将步进电机细分驱动控制电路集成在一块芯片中，可以使得步进电机在实现细分驱动，得到优良运行性能的同时，让整个驱动电路系统的组成更为简单，可靠性更高...

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