第３７卷第６期・学术 ＶｏＩ．３７ Ｎｏ．６ 湖南农机 ２０１０年１１月 ＨＵＮＡＮ ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ＮＯＶ．２０１ ０ 步进电机驱动器的设计问题初探 庹朝永 （湖南机电职业技术学院，湖南长沙４１０１５１） 摘要：步进电机驱动是步进电机的核心组成部分，步进电机驱动器的优劣决定着步进电机的性能。介绍了步进 电机驱的主要结构，并以多细分三相步进电机驱动器为例，从硬件选型（单片机选型、智能功率模块选型等）、供电方 案、软件开发语言的选型等方面对步进电机驱动设计进行了阐述。 关键词：步进电机；驱动；结构；硬件选型；软件选型 中图分类号：ＴＵ８５４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—８３２０（２０１０）０６—００４８—０２ Ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ＴＵＯ Ｃｈａｏ－ｙｏｎｇ （Ｈｕｎａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＥ￣ｃｔｒｉｃｄ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ ４１０１５１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅｒ ｉｓ ａ ｃｏｒｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ，ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅｒ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ ｔｈｅ ｍｅｒｉｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ａ ｍｕｌｔｉ－ｓｅｇｍｅｎｔ ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ，ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｆｒｏｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ（ＭＣＵ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｅｔｃ．），ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｌａｎｇｕａｇｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｔｙｐｅ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｍｏｔｏｒ；ｄｒｉｖｅ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ；ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环 控制元步进电机件。其应用领域非常广泛，它在线切割的工作 ２步进电机驱动器设计方案 台拖动、植毛机工作台、ＡＴＭ机、医疗仪器及设备、纺织机械 驱动器的总体设计根据其结构可分为３个部分：主回路 设备中都有着广泛的应用。典型的步进电机系统一般采用模 部分、控制电路部分及开关电源。 块化设计方法，可分为步进电机控制器、步进电机驱动器以及 （１）主回路采用交一直一交电压型逆变电路形式，将２２０Ｖ、 步进电机三个部分。其中步进电机系统的性能很大程度上取 ５０Ｈｚ的交流电变成直流电。主回路主要由整流滤波电路、三 决于步进电机驱动器。 相三相逆变电路、混合式步进电机组成。 １ 步进电机驱动器的组成及功用 （２）步进驱动器的控制部分则由单片机控制器、比例积分 调节电路、正弦脉宽调制电路和ＩＰＭ接口电路组成。其主要用 一般，步进电机驱动器由以下四部分组成：逻辑控制电 就是使三相混合式步进电机的绕组电流按弦规律变化，让电 路、功率驱动电路、保护电路和电源。 机转子运转。 步进电机驱动器功用就是接受来自控制器的脉冲信号， （３）开关电源。开关电源用来给驱动器内部的控制电路和 按一定励磁时序轮流切换步进电机绕组的通电状态。具体各 智能功率模块的控制侧提供多路电源。 组成部分的功能如下： （１）步进电机驱动器的控制电路就是将接到到来在控制 ３硬件的选型 器方向的售号和步进脉冲按预先设定的电机方式产生步进电 硬件的选型直接关系到步进电机驱动器的性能，本着成 机各相励磁绕组导通或截止信号。 本低、安全性高、体积小的的方针，应遵守３个选型原则：一是 （２）功率驱动电路就将控制电路所提供的低功率的信号 要满足功能要示，集成度高，这样有利于开发出小体积、可靠 进行功率放大。 的产品，也简化了硬件软件的开发过程；二是要性价比较高。 （３）保护电路就是在功率驱动电路向步进电机控制绕组 易采购、价格适中、功能保障；三是要安全性高。步进驱动器在 输入电流时若出现短路、过载、过热等情形时陕速停止驱动器 工业现场使用时间长，条件恶劣，因此所有器件均要使用工业 和电机的运行。 级的产品。 （１）单片机的选型。单片机的选型原则：无需外部扩展或 较少外部扩展来达到系统所有求功能。单片机有足够的Ｉ，０ 收稿日期：２０１０—０９—２８ 作者简介：庹朝永（１９６２一），男，湖南澧县人，大学本科，副教授 脚、中断资源、定时／计数器等，并且有数模转换器及足够容 专业：自动控制。 量的内部存储器，因为单片机输入信号包括了步进脉冲信号 第３７卷第６期 庹朝永：步进电机驱动器的设计问题初探 ４９ ｃＰ、方向控制信号、脱机信号、ＩＰＭ的故障信号ＦＯ及细分步数 选择信号，同时输出两相相差１２００相位的正弦波和ＩＰＭ接口 电路封锁信号。同时单片机的运算速也要求较快以满足细分 后步进脉冲信号频率的升高。根据以上需求，Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的 Ｐ８７ＬＰＣ７６９可在满足性能的档求下完成高集成度、低成本的 方案，并可以国内广泛使用的ＭＣＳ一５１系列单片机兼容。 的零件多，可靠性没有线形稳压电源高；会产生电磁干扰，电 路上要采用滤波器或隔离加以抑制。 隔离反激式开关电源电路以其低廉的成本、简单和容易 实现多路输出等优点，在小功率的开关电源设计中被广泛采 用。驱动器电源设计中采用的也是这种开关电源。 （２）智能功率模块的选型。驱动器中功率驱动电路核心器 件可定为智能功率模块。用绝缘栅双极晶体管做为功率开关 元件，并将其与驱动电路集成在一起，内置过压，过流、短路、 过热和欠压等故障保护电路，并将故障信号送到ＣＰＵ作中断 处理。即使发生负载事故或使用不当，也可使ＩＰＭ自身不受损 坏。 ‘ ５软件开发语言选型 单片机的软件有两种语方开发方案：汇编语言开发，Ｃ语 言开发。 Ｃ语言的优点是易学易用，可加快软件的开发速度，并且 它容易进行移植，有利单片机的重新选型。而汇编语言程序优 点是：能充分发挥硬件速度快、效率高，便于实现实时控制。 （３）其他元器件选型。驱动器中三角波的频率高达十几 在驱动软件开发中，可结合这两种语言的优点，先使用ｃ 言改写整套软件，以发挥汇编实时性好的优点。 步进电机驱动器的设计主要就是在理解其工作原理的基 础上，根所实际需要从而选择合适的硬件、软件开发语言并采 用合理的供电方案。 参 考 文 献 ＫＨｚ，因此高速运算放大器是必须的。而摩托罗拉公司的 语言编写整套控制程序，经软件功能调试无误后，再用汇编语 ＴＩ￣８４为４运放集成芯片可用于高速数据采集系统、高速ＭＤ 转换系统等领域。光耦合器具有良好的绝缘能力及抗干拢能 力，可使步进电机控制系统和驱动器能够正常的通信，避免相 互干扰。霍尔电流传感器对电机绕组线电流的检测。霍尔电流 传感器可以检测从直流到１００ ｋＨｚ的各种波形的电流，精度 高、线性度好。 ２００５，（２）． ［１］周明安，朱光忠．步进电机驱动技术发展及现状［Ｊ］．机电工程技术， ［２］王璐，陈洪亮．步进电机驱动器保护电路设计［Ｊ］．电工技术，２００８， （１１）． ４供电方案 采用开关式稳压电源，其效率可达８５％以上，并且体积 小、稳压范围宽、稳压精度高，不使用电源变压器，而且可以顺 便获得多路控制电源，适应较大的输入电源范围。但因其使用 ［３］胡东，王涌．三相步进电机细分数字驱动器的研究［Ｊ］．浙江工业大 学学报，２００７，（３）． （上接第４７页） （４）在军事方面。由于直线电机的速度极高，利用这点可 将其应用于导弹、火箭和大炮中，这也是完全可能的。直线电 机有其独特的特点，但也有其自身的缺点，在实际应用研究 中，应该权衡利弊，选择能充分发挥直线电机自身优势的场 合。通过直线电机的应用，推动各个领域技术的进步。目前，我 直线电机具结构简单、无接触、无磨损、噪声低、速度快、 精度高等优点。各种相关产品的推广成功充分说明了在科学 技术飞速发展的今天，直线电机直接驱动模式必将替代传统 驱动模式，在社会生活各个领域得到广泛的应用。国外在研究 应用方面已有相当的成果，因而我们要积极借鉴其成功之处， 结合国内实际，努力发展国内直线电机驱动技术，从而促进社 会经济和科学技术的发展。 参 考 文 献 们正尝试将直线电机应用于电火花成形机，通过将直线伺服 系统先进的最近技术融人到成熟的电火花加工技术中，从而 使电火花成形加工的性能得到较大的提高。 ［１］［美］ｓ．Ａ．纳斯尔．直流电机［Ｍ］．武汉：科学出版社，１９８２． ３结论 ［２］叶云岳．直流电机原理与应用［Ｍ］．武汉：机械工业出版社．２０００．
