核心提示：　　基于單片機的改進型五相混合式步進電機驅動器設計刁紅泉，胡偉雄，顏鋼鋒（浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027）合式步進電機驅動器存在諸多不足之處：低頻轉矩振蕩、高頻輸出轉矩不足和多電源供電等。

　　基于單片機的改進型五相混合式步進電機驅動器設計刁紅泉，胡偉雄，顏鋼鋒（浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027）合式步進電機驅動器存在諸多不足之處：低頻轉矩振蕩、高頻輸出轉矩不足和多電源供電等。在分析現有步進電機驅動器的基礎上，結合理論分析，設計出一種基于單片機的改進型五相混合式步進電機驅動器。該驅動器使用單一電源供電，采用三相勵磁PWM輸出方式，改善了驅動的矩頻特性，在電腦繡花機系統中投入應用，取得良好效果。

　　步進電機作為執行部件，廣泛用于自動控制系統中-混合式步進電動機因其具有運行頻率高、動態力矩大、波動小、運轉平穩、噪聲低、定位精度和分辨率高等優點，已廣泛應用于各種機電一體化設備中。

　　在紡織機械中，最常用的步進電機是五相混合式步進電機，而電腦繡花機系統中所用步進電機型號一般為110BYG550，故作者設計的也是與之相配套的驅動器-在分析電腦繡花機中現有步進電機驅動器的基礎上，為減小其低頻轉矩振蕩，提高高頻輸出轉矩，方便使用，作者設計出一種改進型步進電機驅1現有步進電機驅動器的缺點步進電機驅動器輸入的控制信號一般有4個：（公共陽極）、FREE（脫機電平）、DIR（方向電平）、CP（步進脈沖）。現有電腦繡花機系統步進電機驅動器（以某型號為例），使用AT89C2051控制芯片，接受外部控制信號，輸出5路信號，經過譯碼電路之后得到10路輸出信號，然后分別通過上下橋臂驅動電路驅動功率M0SFET，得到五相輸出用來驅動步進電機-在低頻工作時，其輸出電流沖擊較大，為了減小電流沖擊，需要使用FREE信號頻繁封鎖工程設計學報輸出；在停機或者長時間無輸入步進脈沖時，需要輸入FREE信號封閉輸出，以免步進電機相電流過大、通電時間過長而發熱。在脫機的時候，沒有輸出轉矩；在電腦繡花機中，這種情形影響不大（負載為反抗性負載），而對于位勢性負載，若要鎖定轉矩，則需FREE信號的配合，實現PWM輸出，這樣會占據部分主控CPU的資源；或者在步進電機繞組上串聯限流電阻而不脫機，這樣相應地增大了損耗。現有步進電機驅動器的勵磁方式為兩相勵磁，這種方式下的轉矩輸出不是最大的，尤其在高頻情況下，輸出轉矩不足。其輸入電源需要兩路輸入：控制電源（AC220V）和工作電源（AC90V），雙路電源輸入尤其是AC90V的輸入需要變壓器配合，即用步進電機驅動器時必須使用變壓器，這既造成使用的不便，也增加了開支。

　　2關于步進電機的一些理論分析bookmark3相：2.1步進電機轉矩的分析步進電機的轉矩表示如下：步進電機的勵磁方式（單相勵磁、雙相勵磁等）不同，相應的輸出轉矩也不同。對三相步進電機來說，單相和雙相勵磁時，它的輸出轉矩大小沒有變化，僅僅是角度發生了變化。

　　雙相：式（5）和式（6）中負號表示繞組反向通電。從式（4）（6）可以得出，雙相勵磁得到的靜態峰值轉矩大約是單相勵磁峰值的1.62倍，而三相勵磁時最大靜態峰值轉矩是單相勵磁的2.62倍（四相導通輸出轉矩反而減小）。因此，作者設計的步進電機驅動器采用三相勵磁，這樣可以充分利用磁芯容量，提高輸出轉矩，增強步進電機的負載能力尤其是高頻負載能力。

　　五相混合式步進電機線圈繞組接線方法有星形和五邊形兩種，但是對于五邊形接法來說，不能實現三相勵磁，故選用星形接法。

　　從式（2）和（3）中，顯然可以得到上述結論。

　　而對于五相步進電機來說，情況就有所不同了。

　　單相：雙相：2.2星形接法最大輸出轉矩開關序列將三相勵磁最大輸出轉矩方式轉換成五相逆變橋的上下橋臂的開關序列，再按照此序列控制五相橋，便能實現三相勵磁最大轉矩輸出。步進電機繞組排列順序如所示，圖中開關大寫字母表示正相繞組，小寫字母表示反相繞組。從可以看出，當相鄰的三相導通的時候（大寫字母表示正向通電，小寫字母表示反向通電），由式（6）可知此時輸出轉矩最大。故從中就可以推出三相勵磁十拍運行方通，小寫字母表示下橋臂開通）。

　　步進電機繞組排列順序3步進電機驅動器硬件電路設計根據以上分析，作者設計出基于89C51單片機的改進型步進電機驅動器。驅動器硬件電路如聽示|2，此驅動器和現有驅動器輸入輸出兼容，可以直接替換現有步進電機驅動器。沒有畫出電源部分，此驅動器米用單一父流工頻220V供電，其中控制電路供電由變壓器輸出提供；110BYG550系列步進電機的工作電壓為80300V，而220V交流電經過全橋不可控整流之后輸出電壓大約為311V，故主工作電源需經過斬波電路降壓之后再提供。

　　五相逆變橋改進型步進電機驅動器硬件電路圖進電機驅動器軟件主要由主程序、CP中斷服務子程序和定時中斷服務子程序組成。主程序主要實現中斷控制寄存器初始化、定時器工作模式設定和中斷上橋臂開關管和下橋臂開關管不共地，故上下橋臂驅動電路需要單獨設計：上橋臂驅動電路接受給定控制信號，經放大電路放大，然后經過高頻脈沖變壓器隔離之后驅動上橋臂開關管；下橋臂驅動電路接受給定控制信號，由光耦隔離后經放大電路驅動下橋臂開關管。在驅動電路中，上橋臂驅動電路設計是關鍵技術問題，作者采用非門74HC04接電阻電容組成振蕩器產生高頻振蕩，通過與非門控制輸出驅動高頻脈沖變壓器，變壓器輸出通過全橋整流得到直流電壓驅動開關管。

　　五相逆變橋米用三相勵磁PWM輸出方式，這樣輸出轉矩大，既能近似恒流，又能在長時間無脈沖的情況下鎖定轉矩，對于位勢性負載，無FREE脈沖配合的情形下此驅動器也能很好地工作。

　　改進型驅動器相比現有驅動器有以下改進之處：增加成本的基礎上增強了性能。

　　220V電源供電，省去了變壓器，降低了使用成本，方便使用。

　　采用三相勵磁，增大了輸出轉矩，提高了輸出容量。

　　使用軟件定時PWM方式輸出，能夠近似恒流，在無脈沖時安全鎖定轉矩。

　　4系統軟件設計在硬件基礎上，用C語言設計出系統軟件13|，步使能禁止脫機查詢等功能，CP中斷服務子程序主要實現偏址運算、查開關序列表輸出控制脈沖和重啟定時器清除IE1標志位等功能，定時器中斷服務子程序主要實現PWM控制功能。主程序和CP中斷服務子程序流程如和所示，定時中斷服務子程序較簡單，故不給出流程圖。

　　5結論改進型步進電機驅動器相比現有步進電機驅動器，性能有很大的改進，低頻轉矩穩定，高頻輸出轉矩大。此驅動器已經成功地應用于電腦繡花機系統中，用于驅動110BYG550系列五相混合式步進電機。此驅動器生產成本也低于現有步進電機驅動器，這樣既降低了電腦繡花機成本，又提高了刺繡質量。