步進電機是一種數字電機，具有無累積誤差、性xing價jia比bi高gao等deng優you點dian，被bei廣guang泛fan應ying用yong於yu生sheng活huo和he生sheng產chan領ling域yu中zhong。異yi於yu其qi他ta電dian機ji，步bu進jin電dian機ji必bi須xu使shi用yong驅qu動dong器qi才cai能neng工gong作zuo。步bu進jin電dian機ji運yun行xing時shi存cun在zai低di頻pin振zhen蕩dang和he矩ju頻pin特te性xing，是shi設she計ji驅qu動dong係xi統tong時shi必bi須xu考kao慮lv的de兩liang大da難nan題ti。另ling外wai，步bu進jin動dong電dian機ji需xu要yao有you升sheng降jiang速su過guo程cheng才cai能neng運yun行xing平ping穩wen。起qi動dong時shi，如ru果guo加jia在zai電dian機ji上shang的de脈mai衝chong信xin號hao頻pin率lv過guo高gao，則ze會hui出chu現xian失shi步bu或huo振zhen蕩dang，電dian機ji會hui抖dou動dong並bing有you呼hu嘯xiao聲sheng。驅qu動dong器qi的de性xing能neng影ying響xiang著zhe步bu進jin電dian機ji的de發fa展zhan前qian景jing

，因yin此ci研yan究jiu一yi種zhong高gao性xing能neng步bu進jin電dian機ji驅qu動dong方fang法fa具ju有you重zhong要yao的de實shi際ji意yi義yi。

 

本係統的設計方案采用調頻調壓驅動方式，係統的硬件電路按功能來劃分
，主要包含以STM32F103為核心的主控模塊

、功率驅動電路
、調頻調壓驅動電源和電機電流檢測模塊。基本框圖如圖1所示。

 

圖1：步進電機驅動係統原理框圖

 

 驅動係統的核心是微處理器控製模塊。由STM32F103單片機及其外設電路組成，用於實現電機PWM時序信號的輸出、轉速和方向的控製、軟件控製算法的實現、與計算機通信等功能。增強型STM32單片機有80個GPIO口

，高達72 MHz的內部時鍾頻率的定時器，通過改變PWM的頻率實現電機速度的變化，完全滿足驅動的設計要求。

二相混合式步進電機需要雙極性驅動方式才能工作，即繞組在一個周期內需要有正反兩個方向的電流流過。采用H橋電路可以很容易解決電機雙向通電的問題
，二相步進電機需要8個開關管構成兩個H橋，其中一相的H橋驅動電路如圖2所示。MOS管驅動采用驅動芯片L6384，2片L6384和4個功率MOSFET管IFR640構成H橋。Q1
、Q4和Q2、Q3輪流導通，繞組中的電流方向在周期內不斷地改變。
 

 

 

可調電源電路采用專用集成PWM控製芯片SG3525實現。調頻調壓電路如圖3所示，控製信號PWM由J1輸入，實現光耦調節，與輸出信號共同反饋到SG3525的反相輸入端和補償端，用以改變11腳和14腳輸出的PWM的占空比，使得輸出穩定。C1和R1為片內振蕩器外接電容、電阻
，可設定輸出PWM波的斬波頻率
，本係統斬波頻率為60 kHz。11和14腳輸出PWM控製後級功率管的“開”和“關”，實現繞組充放電，設計中采用220 V的市電輸入，輸出 0～60 V／4 A。

 

 

 

若m相步進電機驅動脈衝的頻率為f，轉子有Zr個齒，則電機的轉速可 其中c=f1-f0
，f1=a／b
，常數b決定f-t曲線的變化規律，同樣也影響加減速的快慢。式(6)通(tong)常(chang)作(zuo)為(wei)理(li)論(lun)推(tui)導(dao)的(de)最(zui)合(he)適(shi)的(de)升(sheng)降(jiang)速(su)控(kong)製(zhi)曲(qu)線(xian)，即(ji)指(zhi)數(shu)加(jia)減(jian)速(su)曲(qu)線(xian)。指(zhi)數(shu)曲(qu)線(xian)是(shi)矩(ju)頻(pin)特(te)性(xing)的(de)一(yi)種(zhong)近(jin)似(si)，能(neng)很(hen)好(hao)地(di)利(li)用(yong)低(di)頻(pin)轉(zhuan)矩(ju)恒(heng)定(ding)的(de)優(you)勢(shi)，但(dan)是(shi)高(gao)速(su)加(jia)速(su)時(shi)仍(reng)會(hui)出(chu)現(xian)轉(zhuan)矩(ju)大(da)幅(fu)度(du)下(xia)降(jiang)，導(dao)致(zhi)加(jia)速(su)至(zhi)高(gao)速(su)困(kun)難(nan)。為(wei)更(geng)好(hao)地(di)利(li)用(yong)指(zhi)數(shu)曲(qu)線(xian)的(de)優(you)點(dian)，彌(mi)補(bu)指(zhi)數(shu)曲(qu)線(xian)的(de)缺(que)陷(xian)
，提(ti)出(chu)指(zhi)數(shu)形(xing)式(shi)結(jie)合(he)台(tai)階(jie)模(mo)擬(ni)加(jia)減(jian)速(su)方(fang)式(shi)和(he)快(kuai)速(su)台(tai)階(jie)模(mo)式(shi)減(jian)速(su)方(fang)式(shi)。整(zheng)個(ge)加(jia)速(su)和(he)減(jian)速(su)過(guo)程(cheng)如(ru)圖(tu)4所suo示shi。加jia速su和he減jian速su采cai用yong不bu同tong的de曲qu線xian控kong製zhi。加jia速su分fen為wei兩liang段duan，首shou先xian利li用yong指zhi數shu形xing式shi加jia速su快kuai的de優you點dian，當dang達da到dao一yi定ding速su度du時shi，再zai利li用yong台tai階jie模mo式shi加jia速su，此ci處chuB點取目標頻率的80％，加速過程中的台階比較密
，易於電機加速；減速過程中隻采用台階形式減速，因為電機具有定位力轉矩特性，取fm的20％作為一個台階，電機不會發生過衝
，複雜的減速控製曲線反而會影響減速時間。

 

 

台tai階jie法fa在zai軟ruan件jian編bian程cheng中zhong易yi於yu實shi現xian，加jia減jian速su時shi間jian得de到dao了le有you效xiao控kong製zhi。減jian速su和he加jia速su采cai用yong同tong一yi個ge曲qu線xian會hui影ying響xiang減jian速su時shi間jian，合he理li利li用yong步bu進jin電dian機ji的de定ding位wei轉zhuan矩ju特te性xing
，可ke使shi電dian機ji快kuai速su地di停ting止zhi，提ti高gao電dian機ji的de效xiao率lv。

 

常(chang)用(yong)的(de)斬(zhan)波(bo)恒(heng)流(liu)驅(qu)動(dong)方(fang)式(shi)的(de)原(yuan)理(li)是(shi)采(cai)用(yong)電(dian)流(liu)波(bo)形(xing)補(bu)償(chang)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)，隻(zhi)不(bu)過(guo)參(can)考(kao)電(dian)流(liu)是(shi)固(gu)定(ding)值(zhi)
，參(can)考(kao)文(wen)獻(xian)和(he)提(ti)出(chu)了(le)改(gai)變(bian)電(dian)流(liu)參(can)考(kao)波(bo)形(xing)的(de)補(bu)償(chang)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)，在(zai)繞(rao)組(zu)供(gong)給(gei)值(zhi)較(jiao)小(xiao)時(shi)，通(tong)過(guo)自(zi)動(dong)切(qie)換(huan)參(can)考(kao)電(dian)流(liu)波(bo)形(xing)的(de)方(fang)式(shi)實(shi)現(xian)增(zeng)大(da)高(gao)頻(pin)牽(qian)出(chu)轉(zhuan)矩(ju)。本(ben)文(wen)在(zai)研(yan)究(jiu)該(gai)技(ji)術(shu)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，提(ti)出(chu)一(yi)種(zhong)基(ji)於(yu)調(tiao)頻(pin)調(tiao)壓(ya)方(fang)式(shi)的(de)實(shi)時(shi)電(dian)流(liu)補(bu)償(chang)控(kong)製(zhi)方(fang)法(fa)。不(bu)僅(jin)提(ti)高(gao)高(gao)頻(pin)性(xing)能(neng)，在(zai)電(dian)機(ji)低(di)速(su)時(shi)也(ye)能(neng)迅(xun)速(su)降(jiang)低(di)注(zhu)入(ru)繞(rao)組(zu)的(de)電(dian)流(liu)，保(bao)證(zheng)低(di)頻(pin)平(ping)穩(wen)運(yun)行(xing)。
 

二相混合式步進電機給定的半步工作方式的理想參考電流波形如圖5所示
，電流能達到設定值ia。但是由於繞組是感性元件，實際電流的波形如圖6所(suo)示(shi)，不(bu)是(shi)完(wan)全(quan)的(de)方(fang)波(bo)形(xing)式(shi)，圖(tu)中(zhong)的(de)陰(yin)影(ying)部(bu)分(fen)是(shi)電(dian)流(liu)減(jian)少(shao)的(de)部(bu)分(fen)。這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)隨(sui)著(zhe)電(dian)機(ji)運(yun)行(xing)頻(pin)率(lv)的(de)增(zeng)大(da)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)明(ming)顯(xian)。當(dang)電(dian)機(ji)的(de)頻(pin)率(lv)達(da)到(dao)電(dian)機(ji)臨(lin)界(jie)值(zhi)時(shi)，電(dian)機(ji)進(jin)入(ru)電(dian)流(liu)不(bu)可(ke)控(kong)頻(pin)段(duan)，陰(yin)影(ying)部(bu)分(fen)的(de)麵(mian)積(ji)急(ji)速(su)劇(ju)增(zeng)，電(dian)機(ji)轉(zhuan)矩(ju)出(chu)現(xian)明(ming)顯(xian)下(xia)降(jiang)。
 

 

 

 如圖7yinyingbufensuoshi，dianjigaopinyunxingshi，weishidianjiraozuzaiduanshijianneirengnenghuodezugouqudongdianjiyunzhuandenengliang，zaiyuanxianshedingdedianliuboxingdejichushangewaizengjiagonggeidianliu
，buchangjianshaodebufen，tigaoxiangyingdeqianchuzhuanju。dipinshi，weifangzhidianliuguosheng，daozhidipinzhendang，shishijianshaodianliugonggei

，rutu8陰影部分所示。
 

 

保證電流的有效補給，f與u的變化呈現一個非線性關係模型
，並與Logisticshengwuzengchangmoxingjinsibijin。luojisidishiyileifeixianxinghuiguimoxing
，tichuzhegemoxingdechuzhongshiweilejieshixinwuzhongzaishengtaixitongdezengchangbianhuaqushi。dangyigewuzhongqianxidaoyigemoshengdeshengtaixitong，erqiegaiwuzhongdeqishizongshuliangxiaoyuxindeshengtaixitongdezuidarongnaliang，zeshulianghuizengchang，zengchangqushimanzuluojisidifangcheng。Logistic模型表達式為

 

 

式中x是自變量，y是x的函數，a、β
、k是待定的常數。
 

物種到達一個新環境後的增長趨勢如圖9所示。從最初的起始值增長至平衡值
，即式(7)中的常數a；β決定初始值的大小，β大於0時起始值落於最大值的下方，等於0時y為一條直線，小於0時起始值大於最大值a；而k是增長快慢的常數，k越大增長速度越快
，且k隻能為正數。

 

圖9：增長趨勢模型圖
 

 

電機的繞組電壓與頻率的最佳曲線關係如圖10所示。

由此得出電壓和頻率的驅動方程。

 

式中f為頻率
，u為電壓，a、b和c為驅動係數，e為自然對數的底數。在f的增大過程中，u的變化趨勢是先緩慢，再急劇，最後慢慢趨近於a，即設定的最大驅動電壓值。

 

電機選用無錫三拓二相混合式步進電機57HS5125A4
，額定電流2．5 A
，最高起動頻率約為200 Hz，步距角1．8°。若PWM最終信號頻率設置為500 Hz，則f=0．8×500 Hz=400 Hz。在加速至400 Hz時采用台階緩慢升速；減速過程由20％餘量的台階實現。選取合適的b值可以確定加速時間
，b取0．05，加速時間約為0．3 s，減速時間為0．05 s
，加速不失步，上升快而穩，是一種比較合適的升速曲線
；減速沒有過衝現象。二者形成最佳升降速控製曲線。

   
該設計方案已做成實物並在使用之中，測得某一相繞組電壓和頻率之間的波形變化關係，如圖11suoshi。pinlvhedianyacaiyongluojisidimoxingdianyakongzhifangshi，raozumaichongxinhaodepinlvyuegao，gongdiandianyayeyuelaiyuegao
，dianliushishibuchang
，boxingmaocijiaoxiao，yanzhenglebenfangandezhengquexing。

 

圖11：實測繞組變化圖