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tu4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(chu)B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)。

 

changyongdezhanbohengliuqudongfangshideyuanlishicaiyongdianliuboxingbuchangkongzhijishu，zhibuguocankaodianliushigudingzhi，cankaowenxianhetichulegaibiandianliucankaoboxingdebuchangkongzhijishu，zairaozugonggeizhijiaoxiaoshi

，tongguozidongqiehuancankaodianliuboxingdefangshishixianzengdagaopinqianchuzhuanju。benwenzaiyanjiugaijishudejichushang

，tichuyizhongjiyutiaopintiaoyafangshideshishidianliubuchangkongzhifangfa。bujintigaogaopinxingneng
，zaidianjidisushiyenengxunsujiangdizhururaozudedianliu
，baozhengdipinpingwenyunxing。
 

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7陰(yin)影(ying)部(bu)分(fen)所(suo)示(shi)，電(dian)機(ji)高(gao)頻(pin)運(yun)行(xing)時(shi)

，為(wei)使(shi)電(dian)機(ji)繞(rao)組(zu)在(zai)短(duan)時(shi)間(jian)內(nei)仍(reng)能(neng)獲(huo)得(de)足(zu)夠(gou)驅(qu)動(dong)電(dian)機(ji)運(yun)轉(zhuan)的(de)能(neng)量(liang)，在(zai)原(yuan)先(xian)設(she)定(ding)的(de)電(dian)流(liu)波(bo)形(xing)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)額(e)外(wai)增(zeng)加(jia)供(gong)給(gei)電(dian)流(liu)
，補(bu)償(chang)減(jian)少(shao)的(de)部(bu)分(fen)，提(ti)高(gao)相(xiang)應(ying)的(de)牽(qian)出(chu)轉(zhuan)矩(ju)。低(di)頻(pin)時(shi)，為(wei)防(fang)止(zhi)電(dian)流(liu)過(guo)剩(sheng)
，導(dao)致(zhi)低(di)頻(pin)振(zhen)蕩(dang)，實(shi)時(shi)減(jian)少(shao)電(dian)流(liu)供(gong)給(gei)，如(ru)圖(tu)8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