基于单片机的改进型五相混合式步进电机驱动器设计

　　基于单片机的改进型五相混合式步进电机驱动器设计刁红泉，胡伟雄，颜钢锋（浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027）合式步进电机驱动器存在诸多不足之处：低频转矩振荡、高频输出转矩不足和多电源供电等。在分析现有步进电机驱动器的基础上，结合理论分析，设计出一种基于单片机的改进型五相混合式步进电机驱动器。该驱动器使用单一电源供电，采用三相励磁PWM输出方式，改善了驱动的矩频特性，在电脑绣花机系统中投入应用，取得良好效果。

　　步进电机作为执行部件，广泛用于自动控制系统中-混合式步进电动机因其具有运行频率高、动态力矩大、波动小、运转平稳、噪声低、定位精度和分辨率高等优点，已广泛应用于各种机电一体化设备中。

　　在纺织机械中，最常用的步进电机是五相混合式步进电机，而电脑绣花机系统中所用步进电机型号一般为110BYG550，故作者设计的也是与之相配套的驱动器-在分析电脑绣花机中现有步进电机驱动器的基础上，为减小其低频转矩振荡，提高高频输出转矩，方便使用，作者设计出一种改进型步进电机驱1现有步进电机驱动器的缺点步进电机驱动器输入的控制信号一般有4个：（公共阳极）、FREE（脱机电平）、DIR（方向电平）、CP（步进脉冲）。现有电脑绣花机系统步进电机驱动器（以某型号为例），使用AT89C2051控制芯片，接受外部控制信号，输出5路信号，经过译码电路之后得到10路输出信号，然后分别通过上下桥臂驱动电路驱动功率M0SFET，得到五相输出用来驱动步进电机-在低频工作时，其输出电流冲击较大，为了减小电流冲击，需要使用FREE信号频繁封锁工程设计学报输出；在停机或者长时间无输入步进脉冲时，需要输入FREE信号封闭输出，以免步进电机相电流过大、通电时间过长而发热。在脱机的时候，没有输出转矩；在电脑绣花机中，这种情形影响不大（负载为反抗性负载），而对于位势性负载，若要锁定转矩，则需FREE信号的配合，实现PWM输出，这样会占据部分主控CPU的资源；或者在步进电机绕组上串联限流电阻而不脱机，这样相应地增大了损耗。现有步进电机驱动器的励磁方式为两相励磁，这种方式下的转矩输出不是最大的，尤其在高频情况下，输出转矩不足。其输入电源需要两路输入：控制电源（AC220V）和工作电源（AC90V），双路电源输入尤其是AC90V的输入需要变压器配合，即用步进电机驱动器时必须使用变压器，这既造成使用的不便，也增加了开支。

　　2关于步进电机的一些理论分析bookmark3相：2.1步进电机转矩的分析步进电机的转矩表示如下：步进电机的励磁方式（单相励磁、双相励磁等）不同，相应的输出转矩也不同。对三相步进电机来说，单相和双相励磁时，它的输出转矩大小没有变化，仅仅是角度发生了变化。

　　双相：式（5）和式（6）中负号表示绕组反向通电。从式（4）（6）可以得出，双相励磁得到的静态峰值转矩大约是单相励磁峰值的1.62倍，而三相励磁时最大静态峰值转矩是单相励磁的2.62倍（四相导通输出转矩反而减小）。因此，作者设计的步进电机驱动器采用三相励磁，这样可以充分利用磁芯容量，提高输出转矩，增强步进电机的负载能力尤其是高频负载能力。

　　五相混合式步进电机线圈绕组接线方法有星形和五边形两种，但是对于五边形接法来说，不能实现三相励磁，故选用星形接法。

　　从式（2）和（3）中，显然可以得到上述结论。

　　而对于五相步进电机来说，情况就有所不同了。

　　单相：双相：2.2星形接法最大输出转矩开关序列将三相励磁最大输出转矩方式转换成五相逆变桥的上下桥臂的开关序列，再按照此序列控制五相桥，便能实现三相励磁最大转矩输出。步进电机绕组排列顺序如所示，图中开关大写字母表示正相绕组，小写字母表示反相绕组。从可以看出，当相邻的三相导通的时候（大写字母表示正向通电，小写字母表示反向通电），由式（6）可知此时输出转矩最大。故从中就可以推出三相励磁十拍运行方通，小写字母表示下桥臂开通）。

　　步进电机绕组排列顺序3步进电机驱动器硬件电路设计根据以上分析，作者设计出基于89C51单片机的改进型步进电机驱动器。驱动器硬件电路如听示|2，此驱动器和现有驱动器输入输出兼容，可以直接替换现有步进电机驱动器。没有画出电源部分，此驱动器米用单一父流工频220V供电，其中控制电路供电由变压器输出提供；110BYG550系列步进电机的工作电压为80300V，而220V交流电经过全桥不可控整流之后输出电压大约为311V，故主工作电源需经过斩波电路降压之后再提供。

　　五相逆变桥改进型步进电机驱动器硬件电路图进电机驱动器软件主要由主程序、CP中断服务子程序和定时中断服务子程序组成。主程序主要实现中断控制寄存器初始化、定时器工作模式设定和中断上桥臂开关管和下桥臂开关管不共地，故上下桥臂驱动电路需要单独设计：上桥臂驱动电路接受给定控制信号，经放大电路放大，然后经过高频脉冲变压器隔离之后驱动上桥臂开关管；下桥臂驱动电路接受给定控制信号，由光耦隔离后经放大电路驱动下桥臂开关管。在驱动电路中，上桥臂驱动电路设计是关键技术问题，作者采用非门74HC04接电阻电容组成振荡器产生高频振荡，通过与非门控制输出驱动高频脉冲变压器，变压器输出通过全桥整流得到直流电压驱动开关管。

　　五相逆变桥米用三相励磁PWM输出方式，这样输出转矩大，既能近似恒流，又能在长时间无脉冲的情况下锁定转矩，对于位势性负载，无FREE脉冲配合的情形下此驱动器也能很好地工作。

　　改进型驱动器相比现有驱动器有以下改进之处：增加成本的基础上增强了性能。

　　220V电源供电，省去了变压器，降低了使用成本，方便使用。

　　采用三相励磁，增大了输出转矩，提高了输出容量。

　　使用软件定时PWM方式输出，能够近似恒流，在无脉冲时安全锁定转矩。

　　4系统软件设计在硬件基础上，用C语言设计出系统软件13|，步使能禁止脱机查询等功能，CP中断服务子程序主要实现偏址运算、查开关序列表输出控制脉冲和重启定时器清除IE1标志位等功能，定时器中断服务子程序主要实现PWM控制功能。主程序和CP中断服务子程序流程如和所示，定时中断服务子程序较简单，故不给出流程图。

　　5结论改进型步进电机驱动器相比现有步进电机驱动器，性能有很大的改进，低频转矩稳定，高频输出转矩大。此驱动器已经成功地应用于电脑绣花机系统中，用于驱动110BYG550系列五相混合式步进电机。此驱动器生产成本也低于现有步进电机驱动器，这样既降低了电脑绣花机成本，又提高了刺绣质量。