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tu8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Logistic生sheng物wu增zeng長chang模mo型xing近jin似si逼bi近jin。邏luo輯ji斯si諦di是shi一yi類lei非fei線xian性xing回hui歸gui模mo型xing
，提ti出chu這zhe個ge模mo型xing的de初chu衷zhong是shi為wei了le解jie釋shi新xin物wu種zhong在zai生sheng態tai係xi統tong的de增zeng長chang變bian化hua趨qu勢shi。當dang一yi個ge物wu種zhong遷qian徙xi到dao一yi個ge陌mo生sheng的de生sheng態tai係xi統tong，而er且qie該gai物wu種zhong的de起qi始shi總zong數shu量liang小xiao於yu新xin的de生sheng態tai係xi統tong的de最zui大da容rong納na量liang
，則ze數shu量liang會hui增zeng長chang

，增zeng長chang趨qu勢shi滿man足zu邏luo輯ji斯si諦di方fang程cheng。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11所suo示shi。頻pin率lv和he電dian壓ya采cai用yong邏luo輯ji斯si諦di模mo型xing電dian壓ya控kong製zhi方fang式shi
，繞rao組zu脈mai衝chong信xin號hao的de頻pin率lv越yue高gao

，供gong電dian電dian壓ya也ye越yue來lai越yue高gao

，電dian流liu實shi時shi補bu償chang，波bo形xing毛mao刺ci較jiao小xiao
，驗yan證zheng了le本ben方fang案an的de正zheng確que性xing。

 

圖11：實測繞組變化圖