两相步进电机的双极细分驱动及Proteus仿真

时为

(扬州职业大学，江苏扬州225009)

步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机。步进电机的最大特点是其“数字性”，对于单片机发过来的每一个脉冲信号，步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度(简称一步)。如接收到一串脉冲步进电机将连续运转一段相应距离，也可通过微电脑或单片机发送控制脉冲频率，直接对电机转速进行控制。因此，步进电机近年来在各行各业的控制设备中获得了越来越广泛的应用。

由于步进电机是一个弹性体系统，所以，有一个固有谐振频率。当步进速率等于电机固有频率时，电机可能会产生听得见的噪音变化，同时振动增加，在严重情况下，电机在振荡点附近可能会失步。使用细分驱动技术可以解决这一问题。

在工业控制领域，目前常用的控制电动机的芯片是PIC系列的单片机。本文选择PIC18F452高性能单片机芯片编写两相步进电机双极细分驱动程序，使用Protues仿真，测量其输出的细分驱动波形并观测步进电机的运行情况。

1 双极细分驱动原理

1.1 双极整步驱动

目前比较常用的双极步进电机驱动芯片是L298，驱动电路如图1所示。整步驱动波形从A、B、C、D四个端口送入，每4步为一次循环，其波形如图2所示。

从图2可以发现AB、CD为互补的逻辑波形，而A与C之间相互错开一步距离。因此，对于L298芯片，其驱动输入只需要A和C两路即可[1]。

图1 L298双极整步驱动电路

图2 L298双极整步驱动波形

1.2 双极细分驱动

将上述A和C两路矩形波，使用正弦波来代替时，步进电机的噪声与振动会立即消除，这样的方法称为细分驱动。

单片机产生的输出是没有连续的正弦波形的，使用的方法是SPWM。SPWM的实质是将一个正弦波的大小变化，用与之对应的幅度相同，宽度不同的脉冲来表示，这样就可以将正弦波转换成计算机的程序，通过程序运算处理，来产生所需要的正弦波形，见图3。

2 使用PIC18F452实现SPWM的编程原理

PIC18F452的dsPIC芯片，是一款由Micro-Chip公司生产的高速8位单片机芯片，可以输出两路独立的PWM波形，程序空间容量高达32KB，符合细分驱动的基本要求。[2]

图3 L298双极细分驱动波形

在实际应用中，步进电机的细分数一般设为4、8、16、32几种等级，细分数过大，会使得步进电机运转过于缓慢，同时由于细分角过小，也会造成失步。

以下为相关的C18程序，细分数为16，使用的编程语言是MPLAB C18，使用的编译软件是MPLAB 8.43。主要驱动程序如下[3]:

SPWM编程的关键在于确定每一个SPWM的占空比。在程序中，将C路输入的一个完整的正弦波的SPWM的各个PWM占空比事先计算好，放于计算机的ROM之中，其所计算的点数就是步进电机细分驱动的细分数。

以C路的SPWM开始，使用查表方法，从0开始输出细分驱动波形，而A路的SPWM输出则根据细分数，滞后90°开始，使用查表方法得出A路细分驱动波形。

应用细分驱动技术，步进电机的运行方式变为每一个脉冲转轴转过一个细分角度。设步进电机的细分数为N，整步驱动时，每步转轴转过的角度为θ，细分角为α，则有α=θ/N。

在电机转速控制方式中，设驱动脉冲的频率为f，则在细分驱动方式下，电机的转速为整步驱动的1/N，即为

3 双极细分驱动程序的Protues仿真

首先，根据细分驱动原理，在MPLAB软件中使用MPLAB C18编写PIC18F452的双极细分驱动程序。在Proteus软件中设计好两相步进电机得L298驱动电路。

在pic18F452中装入上述用MPLAB软件生成的Hex文件，启动Proteus的仿真功能，可见细分输出波形以及步进电机的运行情况，见图4。

仿真结果证明，使用细分驱动方法，步进电机运行连续、平稳，没有整步驱动时的跳跃抖动现象，这也是细分驱动能够消除步进电机振动的原因。

4 结语

在掌握步进电机细分驱动技术的基础上，成功地将该技术引入到Proteus的步进电机的仿真领域，这也说明了Proteus仿真软件的强大的功能。限于篇幅，有关正反方向控制，细分数选择，单步控制等问题就不在此讨论。

[1]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航天大学出版社，2003.

[2]武锋.PIC系列单片机开发应用实战[M].北京:北京航空航天大学出版社，2009.

[3]张皆喜.PIC系列单片机C语言编程语应用实例[M].北京:电子工业出版社，2007.