基于单片机的步进电机细分技术

摘要:介绍了基于单片机的步进电机高精度细分技术，提出了基于AT89C51单片机控制的
斩波恒流均匀细分驱动方案及实现方法。运行结果表明，该方法可使步进电机的细分技术提
高到一个更高精度的细分水平。
关键词:步进电机;细分技术;单片机控制;恒转矩;斩波恒流
0引言
    步进电机是可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，它输出的
角位移与输人的脉冲数成正比，转速与脉冲频率
成正比，因而是一种输出与输人脉冲相对应的增
量驱动元件。该元件具有转矩大、惯性小、响应
频率高等优点，但其步矩角较大(一般为1.50-
30)，因而满足不了某些高精密定位、精密加工等
方面的要求。实现细分驱动是减小步距角、提高
步进分辨率、增加电机运行平稳性的一种行之有
效的方法。
细分技术方案
    目前，国内外的步进电机细分技术的最高微
步距细分水平为25.5"，而随着科学和工业技术的
发展，这一细分水平对于目前很多要求5"以下的
微步距角来说，远远不能满足要求。为什么长期
以来步进电机的细分技术停留在25.5"的水平上而
不能再细分?对这一问题的研究结果表明，其原
因在于现有技术大多采用以下两种细分方法:
    第一种是将步进电动机的控制位置数(以四
相混合式步进电机为例)的四拍通电逻辑顺序变
为八拍通电逻辑顺序，从而将步进角降为原来的
一半。这种细分驱动方法的优点是只需要改变某
一相的电流值，因此在硬件电路的设计上比较容
易实现。但这种方法却带来了一个不可克服的缺
陷，即电流合成矢量在旋转过程中的幅值是处在
不断变化中，而这将引起滞后角的不断变化。当
细分数很大、微步距角非常小时，滞后角变化的
差值p已大于所要求细分的微步距角，从而使微
步距角的继续细分实际上失去了意义。
    第二种是利用单片机的脉冲宽度可调波
(PWM)来把原来的一个矩形脉冲波分解成一个
阶梯波形。若设原来阶梯波角度为p，则按阶梯
波的步距角应为p/n，其中n为阶梯波的个数。其
优点是在阶梯波驱动步进电机的时候能通过单片
机产生的PWM波来灵活地改变输出脉冲的高低和
长短，从而实现步进电机的柔性控制和实现驱动
大功率的步进电机。但由于驱动电路复杂且在定
位的时候可能会产生振动，故在其振动角度超过
细分的最小角度时，已不适合高精密仪器的定位
要求。另外，步进电机按运行频率工作时，启动
和停止都需要有一个缓慢的升频和降频过程。启
动时，可在启动频率之下启动步进电机，然后逐渐
上升到运行频率;停止时，则先将频率逐渐降低
到启动频率以下才能停止。特别是负载转动惯性
比较大时，该现象将严重地影响到细分步进转角
的非线性和均匀旋转的控制。这就是现有细分技
术方案不能达到超高分辨的根本原因。