核心提示：　　基于單片機(jī)的改進(jìn)型五相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)刁紅泉，胡偉雄，顏鋼鋒（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027）合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器存在諸多不足之處：低頻轉(zhuǎn)矩振蕩、高頻輸出轉(zhuǎn)矩不足和多電源供電等。

　　基于單片機(jī)的改進(jìn)型五相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)刁紅泉，胡偉雄，顏鋼鋒（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027）合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器存在諸多不足之處：低頻轉(zhuǎn)矩振蕩、高頻輸出轉(zhuǎn)矩不足和多電源供電等。在分析現(xiàn)有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析，設(shè)計(jì)出一種基于單片機(jī)的改進(jìn)型五相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器使用單一電源供電，采用三相勵(lì)磁PWM輸出方式，改善了驅(qū)動(dòng)的矩頻特性，在電腦繡花機(jī)系統(tǒng)中投入應(yīng)用，取得良好效果。

　　步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行部件，廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中-混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因其具有運(yùn)行頻率高、動(dòng)態(tài)力矩大、波動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低、定位精度和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種機(jī)電一體化設(shè)備中。

　　在紡織機(jī)械中，最常用的步進(jìn)電機(jī)是五相混合式步進(jìn)電機(jī)，而電腦繡花機(jī)系統(tǒng)中所用步進(jìn)電機(jī)型號(hào)一般為110BYG550，故作者設(shè)計(jì)的也是與之相配套的驅(qū)動(dòng)器-在分析電腦繡花機(jī)中現(xiàn)有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)上，為減小其低頻轉(zhuǎn)矩振蕩，提高高頻輸出轉(zhuǎn)矩，方便使用，作者設(shè)計(jì)出一種改進(jìn)型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)1現(xiàn)有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的缺點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入的控制信號(hào)一般有4個(gè)：（公共陽(yáng)極）、FREE（脫機(jī)電平）、DIR（方向電平）、CP（步進(jìn)脈沖）。現(xiàn)有電腦繡花機(jī)系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（以某型號(hào)為例），使用AT89C2051控制芯片，接受外部控制信號(hào)，輸出5路信號(hào)，經(jīng)過譯碼電路之后得到10路輸出信號(hào)，然后分別通過上下橋臂驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率M0SFET，得到五相輸出用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)-在低頻工作時(shí)，其輸出電流沖擊較大，為了減小電流沖擊，需要使用FREE信號(hào)頻繁封鎖工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)輸出；在停機(jī)或者長(zhǎng)時(shí)間無(wú)輸入步進(jìn)脈沖時(shí)，需要輸入FREE信號(hào)封閉輸出，以免步進(jìn)電機(jī)相電流過大、通電時(shí)間過長(zhǎng)而發(fā)熱。在脫機(jī)的時(shí)候，沒有輸出轉(zhuǎn)矩；在電腦繡花機(jī)中，這種情形影響不大（負(fù)載為反抗性負(fù)載），而對(duì)于位勢(shì)性負(fù)載，若要鎖定轉(zhuǎn)矩，則需FREE信號(hào)的配合，實(shí)現(xiàn)PWM輸出，這樣會(huì)占據(jù)部分主控CPU的資源；或者在步進(jìn)電機(jī)繞組上串聯(lián)限流電阻而不脫機(jī)，這樣相應(yīng)地增大了損耗。現(xiàn)有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的勵(lì)磁方式為兩相勵(lì)磁，這種方式下的轉(zhuǎn)矩輸出不是最大的，尤其在高頻情況下，輸出轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)必須使用變壓器，這既造成使用的不便，也增加了開支。

　　2關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的一些理論分析bookmark3相：2.1步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的分析步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩表示如下：步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式（單相勵(lì)磁、雙相勵(lì)磁等）不同，相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩也不同。對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)來(lái)說，單相和雙相勵(lì)磁時(shí)，它的輸出轉(zhuǎn)矩大小沒有變化，僅僅是角度發(fā)生了變化。

　　雙相：式（5）和式（6）中負(fù)號(hào)表示繞組反向通電。從式（4）（6）可以得出，雙相勵(lì)磁得到的靜態(tài)峰值轉(zhuǎn)矩大約是單相勵(lì)磁峰值的1.62倍，而三相勵(lì)磁時(shí)最大靜態(tài)峰值轉(zhuǎn)矩是單相勵(lì)磁的2.62倍（四相導(dǎo)通輸出轉(zhuǎn)矩反而減小）。因此，作者設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用三相勵(lì)磁，這樣可以充分利用磁芯容量，提高輸出轉(zhuǎn)矩，增強(qiáng)步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載能力尤其是高頻負(fù)載能力。

　　五相混合式步進(jìn)電機(jī)線圈繞組接線方法有星形和五邊形兩種，但是對(duì)于五邊形接法來(lái)說，不能實(shí)現(xiàn)三相勵(lì)磁，故選用星形接法。

　　從式（2）和（3）中，顯然可以得到上述結(jié)論。

　　而對(duì)于五相步進(jìn)電機(jī)來(lái)說，情況就有所不同了。

　　單相：雙相：2.2星形接法最大輸出轉(zhuǎn)矩開關(guān)序列將三相勵(lì)磁最大輸出轉(zhuǎn)矩方式轉(zhuǎn)換成五相逆變橋的上下橋臂的開關(guān)序列，再按照此序列控制五相橋，便能實(shí)現(xiàn)三相勵(lì)磁最大轉(zhuǎn)矩輸出。步進(jìn)電機(jī)繞組排列順序如所示，圖中開關(guān)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(dāng)相鄰的三相導(dǎo)通的時(shí)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(shí)輸出轉(zhuǎn)矩最大。故從中就可以推出三相勵(lì)磁十拍運(yùn)行方通，小寫字母表示下橋臂開通）。

　　步進(jìn)電機(jī)繞組排列順序3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)以上分析，作者設(shè)計(jì)出基于89C51單片機(jī)的改進(jìn)型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器硬件電路如聽示|2，此驅(qū)動(dòng)器和現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器輸入輸出兼容，可以直接替換現(xiàn)有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。沒有畫出電源部分，此驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)的工作電壓為80300V，而220V交流電經(jīng)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(jīng)過斬波電路降壓之后再提供。

　　五相逆變橋改進(jìn)型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器硬件電路圖進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器軟件主要由主程序、CP中斷服務(wù)子程序和定時(shí)中斷服務(wù)子程序組成。主程序主要實(shí)現(xiàn)中斷控制寄存器初始化、定時(shí)器工作模式設(shè)定和中斷上橋臂開關(guān)管和下橋臂開關(guān)管不共地，故上下橋臂驅(qū)動(dòng)電路需要單獨(dú)設(shè)計(jì)：上橋臂驅(qū)動(dòng)電路接受給定控制信號(hào)，經(jīng)放大電路放大，然后經(jīng)過高頻脈沖變壓器隔離之后驅(qū)動(dòng)上橋臂開關(guān)管；下橋臂驅(qū)動(dòng)電路接受給定控制信號(hào)，由光耦隔離后經(jīng)放大電路驅(qū)動(dòng)下橋臂開關(guān)管。在驅(qū)動(dòng)電路中，上橋臂驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)是關(guān)鍵技術(shù)問題，作者采用非門74HC04接電阻電容組成振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩，通過與非門控制輸出驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)開關(guān)管。

　　五相逆變橋米用三相勵(lì)磁PWM輸出方式，這樣輸出轉(zhuǎn)矩大，既能近似恒流，又能在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)脈沖的情況下鎖定轉(zhuǎn)矩，對(duì)于位勢(shì)性負(fù)載，無(wú)FREE脈沖配合的情形下此驅(qū)動(dòng)器也能很好地工作。

　　改進(jìn)型驅(qū)動(dòng)器相比現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器有以下改進(jìn)之處：增加成本的基礎(chǔ)上增強(qiáng)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(lì)磁，增大了輸出轉(zhuǎn)矩，提高了輸出容量。

　　使用軟件定時(shí)PWM方式輸出，能夠近似恒流，在無(wú)脈沖時(shí)安全鎖定轉(zhuǎn)矩。

　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在硬件基礎(chǔ)上，用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)出系統(tǒng)軟件13|，步使能禁止脫機(jī)查詢等功能，CP中斷服務(wù)子程序主要實(shí)現(xiàn)偏址運(yùn)算、查開關(guān)序列表輸出控制脈沖和重啟定時(shí)器清除IE1標(biāo)志位等功能，定時(shí)器中斷服務(wù)子程序主要實(shí)現(xiàn)PWM控制功能。主程序和CP中斷服務(wù)子程序流程如和所示，定時(shí)中斷服務(wù)子程序較簡(jiǎn)單，故不給出流程圖。

　　5結(jié)論改進(jìn)型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相比現(xiàn)有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，性能有很大的改進(jìn)，低頻轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，高頻輸出轉(zhuǎn)矩大。此驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)成功地應(yīng)用于電腦繡花機(jī)系統(tǒng)中，用于驅(qū)動(dòng)110BYG550系列五相混合式步進(jìn)電機(jī)。此驅(qū)動(dòng)器生產(chǎn)成本也低于現(xiàn)有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，這樣既降低了電腦繡花機(jī)成本，又提高了刺繡質(zhì)量。