第1章  緒 論..................................................................................................................... 1

1.1步進電機控制研究背景............................................................................................ 1

1.1.1 步進電機概述.................................................................................................. 1

1.1.2 步進電機的種類.............................................................................................. 2

1.1.3 兩相混合式步進電機...................................................................................... 3

1.2 步進電機驅動技術概述............................................................................................ 3

1.2.1 步進電機驅動技術.......................................................................................... 3

1.2.2 細分驅動技術.................................................................................................. 4

1.3 國內外相關領域研究現狀........................................................................................ 5

1.4 課題研究的目的........................................................................................................ 7

第2章  兩相混合步進電機驅動器的整體設計方案................................................... 8

2.1驅動器系統功能需求................................................................................................. 8

2.2驅動器系統硬件構架................................................................................................. 9

2.3兩相混合步進電機驅動器軟件系統構架................................................................. 9

第3章  兩相混合步進電機驅動器的硬件構成......................................................... 10

3.1 單片機最小系統設計.............................................................................................. 10

3.2電源處理電路設計................................................................................................... 11

  3.3 保護電路設計.......................................................................................................... 11

第4章  兩相混合步進電機驅動器的軟件設計......................................................... 12

4.1 系統初始化及主流程.............................................................................................. 12

4.2占空比寄存器........................................................................................................... 12

4.3定時器PWM輸出配置............................................................................................... 13

第5章  關鍵技術處理.................................................................................................... 14

5.1 解決超調與功率管發熱問題的PWM機制優化處理方法...................................... 14

5.2電機驅動器可擴展處理技術................................................................................... 14

第6章  結 論................................................................................................................... 16

參考文獻............................................................................................................................. 16

致  謝.................................................................................................................................. 17

摘  要

隨獵微電子技術、計算機技術以及控制技術的不斷發展，式步進電機的驅動技術的發展越來越快，步進電機的應用需求越來越大。步進電機不能直接接入電源進行工作，它必須使用專用設備進行驅動，因此.步進電機的運行性能除了受本身性能的影響外，很大程度上還取決于其馭動器的好壞。目前市場上的步進電機驅動器基本都是單電機的驅動器。即一個驅動器只能驅動一個步進電機，這樣對于需要應用多臺步進電機的場合.必須購買多臺驅動器，這樣無疑加大了生產成本和產品的空間體積。因此，對于步進電機控制系統而言，開發一套新型的能滿足多路輸出的高精度高穩定性步進電機驅動器器具有極其重要意義。

第1章 緒 論

隨著運動控制系統中數字化技術的發展與成熟，步進電機在工業自動化控制中得到了廣泛的應用.步進電機是一種完成數字信號模擬信號轉換的執行元件，它區別于其他控制用途電動機的最大特點是:能接收數字控制信號(電脈沖信號)，并將這些脈沖信號轉換成與之相對應的角位移或直線位移.步進電機必須與相應的驅動電路配合使用，其工作性能在很大程度上取決于所使用的驅動電路的類型和實際參數，因此，步進電機驅動電路的設計是步進電機控制系統中的關鍵.眾所周知:電動機的各相繞組之間、定轉子之間存在一定的強禍合，電磁關系也有較嚴重的非線性，但就其本質而言，對I臺步進電機的控制，就是按一定的相序向其相線圈提供驅動信號，同時對各相電流進行控制，從而產生必要的轉矩以驅動電機旋轉.本文簡要介紹三相反應式步進電機的一種驅動電路的設計.

1.1步進電機控制研究背景

1.1.1步進電機控制研究背景

步進電機作為機電一體化的關鍵產品之一，有著廣泛的應用。步進電機是一種根據電磁學原理，采用組合電進鐵理論，利用定轉子之間的磁場作用，將電脈沖轉化為機械能的執行機構.在結構上，電動機定轉子都采用凸極結構，各繞組之間的磁場彼此孤立。步進電是一種離散型自動化執行元件.以一定的步距角一步一步做增量運動，其轉速和運行的距離不受負級變化的影響。只取決于給定脈沖信號的頻率和數量。利用現代數字控制技術，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，實現準確的定位控制:同時可以通過改變脈沖頻率和變化快慢來控制步進電機轉動的速度與加速度，從而實現調速的目的.它含有以下優勢:

1)無累計誤差.步進電機的每步精度在30/u5%之間，在不失步的前提下其的角位移和物入脈沖數嚴格成正比，不會將一步的誤差積累到下一步，有較好的位w精度和運動的重復性.

2)動態響應快，有優秀的啟停、反轉響應。

3)沒有電刷，電機可書性高，壽命長。

4)電機的響應由愉入的數字脈沖確定，可以開環控制，控制結構簡單可靠，價格低廉。

5)電機通電停轉時候轉矩最大，實現停止自鎖。

6)速度正比于脈沖頻率，可調的轉速范圍寬:易于控制，只擂要控制給定脈沖的頻率和個效.即可達到調速和精確定位的目的。 正是由于這些優點，步進電機被廣泛應用于自動控制系統中，是數字開環控制系統理想的執行元件。尤其是80年代以后，隨著徽處理器的發展和應用，給步進電動機的推廣帶來了廣闊的前景.但是，在性能上步進電機也有明顯的不足之處.

1)控制不當容易發生共振和失步現象，且低速時嗓聲比較大。

2〕難以獲得較大的轉矩.

3)高速時因力矩衰減容易造成失步。

1.1.2步進電機的種類

步進電機在構造上分為三種主要類型:反應式(VariableReluctance，簡稱VR)步進電機、永磁式(PermanentMagnet,簡稱PM)步進電機和混合式(Hybrid Stepping，簡稱HB)步進電機。

反應式步進電動機又稱變磁阻式步進電動機，依靠改變電機磁阻來產生電磁轉矩，從而帶動步進電機運行，是目前比較流行的一種電動機，其繞組位于定子上，轉子由軟磁材料組成。其結構簡單、成本低、步距角小(步距角為1.20)，但動態性能差、效率低、發熱大，可命性差.反應式步進電機又分為單段式和多段式步進電機，單段式步進電機結構簡單;多段式步進電機結構復雜.制造困難，工作特性差。

水磁式步進電機的轉子用永磁材料制成，動態性能好、抽出力矩大、定位梢度差、步矩角大(一般為7.50或150). 混合式步進電機綜合了反應式和永磁式步進電機的優點，是目前十分流行的一種步進電機。其轉子上采用永磁材料，定子上含有多相繞組，按定子繞組又分為兩相混合式步進電機、三相混合式步進電機和五相混合式步進電機。混合式步進電機的特點是輸出力矩大、動態性能好，步距角小，配上馭動器后運行效果良好，尤其是兩相混合式步進電機，其約占，97%的市場份領。

1.1.3兩相混合步進電機

兩相式混合式步進電機常見的定子有4個極和8個極，極面上均勻分布一定數且的小齒及控制繞組，各相控制繞組都可以雙向通電，轉子由永磁鐵和兩端開有齒槽的鐵芯組成，兩段鐵芯錯開半個齒距.轉子齒距與定子小齒的齒距相等.同一段轉子片子上所有齒都具有同向極性，而兩塊不同段的轉子片的極性相反。混合式步進電機的軸向結構圖如圖1-1所示。

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1.2步進電機驅動技術概述

步進電機不像普通的直流電機，不能直接接到交直流電源上進行工作，而必須使用專用控制系統設備進行驅動，步進電機運行的性能如輸出力矩、運行頻率等除了受其本身性能的影響外，還取決于驅動器控制系統的優劣。因此，步進電機的出現，步進電機驅動器也應運而生，它們的研究幾乎是同步的，步進電機驅動器是步進電機運動控制的一個不可分割的整體。步進電機驅動系統一般由脈沖信號發生器、環形分配器、倍號處理與放大、推動級、功率馳動、電流檢測與保護電路等組成，如圖1-2所示。

脈沖信號發生器用來產生一定的方波或三角波等，環形分配器用來接收外部控制脈沖，井按要求的順序產生控制步進電機各相繞組導通和截止的信號，從而決定步進電機的轉向;信號處理是實現對輸出信號的轉換、合成和放大等，如實現SPWM等特殊信號:推動級是對較小的信號進行放大，從而足以推動驅動電路:驅動電路一般為雙極性驅動電路，如H橋電路，以滿足定子磁極的極性交變;保護電路為過壓、欠壓、過溫保護等保護驅動電路的安全。

1.2.1步進電機驅動技術

混合式步進電機的驅動技術在發展和成熟的過程中出現過各種各樣的驅動電路、拓撲結構和驅動方式，其中包括單電壓驅動、雙電壓驅動、斬波恒流驅動、調頻調壓奧動和細分馭動等。

  單電壓驅動方式是指以一個恒定的電源電壓對工作中的電機繞組進行供電。這種驅動方式存在共振區，需要串大功串電阻，功耗大，高頻時帶載能力不高，但是其低頻響應較好、驅動電路簡單、應用成本低廉

  雙電壓v動的方式是電路使用高低壓進行驅動，在導通前以高電壓供電來提高電流的上升率，當上升到額定電流時，利用低電壓和低壓功率管給電機繞組進行供電，以維持額定電流的大小。這種驅動方式低頻時嗓音大，共振現象仍然存在。

  斬波恒流驅動是目前步進電機應用.廣泛的驅動方式之一，這種驅動方式以比電機額定電壓高得多的電壓供電，以加快繞組電流上升和衰減的速度，通過斬波的方式使電機繞組電流在高低頻及頓定等工作狀態中都保持領定值。這種方式提高了輸出轉矩，墓本消除了低頻共振現象.

  調頻調壓驅動方式實現了電機在低速時繞組電流上升前沿較平緩的特性，從而降低了低頻振動。其荃本思想是在驅動電路中增加比較電路和調壓電路，使電機運行在低頻時使用低電壓馭動，高頻時使用高電壓驅動。這種驅動方式能在較寬的頻率范圍內運行，矩頻特性也較好，但是線路比較復雜，而且針對不同的步進電機，需要輸出電壓與輸入控制脈沖頻率的特性進行重新調整。

1.2.2細分驅動技術

  電機固有步距角”細分成若干小步的驅動方法，稱為細分驅動，細分是通過驅動器精確控制步進電機的相電流實現的，與電機本身無關。其原理是，讓定子通電相電流并不一次升到位，而斷電相電流并不一次降為0（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級近似階梯波），則定子繞組電流所產生的磁場合力，會使轉子有N個新的平衡位置（形成N個步距角）

  外對細分驅動技術的研究十分活躍，高性能的細分驅動電路，可以細分到上千甚至任意細分。目前已經能夠做到通過復雜的計算使細分后的步距角均勻一致，大大提高了步進電機的脈沖分辨率，減小或消除了震蕩、噪聲和轉矩波動，使步進電機更具有“類伺服”特性。
對實際步距角的作用：在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己對步距角的要求。如果使用細分驅動器，則用戶只需在驅動器上改變細分數，就可以大幅度改變實際步距角，步進電機的‘相數’對改變實際步距角的作用幾乎可以忽略不計。
  細分技術與步進電機精度提高的關系：步進電機的細分技術實質上是一種電子阻尼技術，其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉精度只是細分技術的一個附帶功能。細分后電機運轉時對每一個脈沖的分辨率提高了，但運轉精度能否達到或接近脈沖分辨率還取決于細分驅動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅動器精度可能差別很大；細分數越大精度越難控制。細分對驅動器要有相當高的技術要求和工藝要求，成本亦會較高。國內有一些驅動器采用對電機相電流進行“平滑”處理來取代細分，屬于“假細分”，“平滑”并不產生微步，會引起電機力矩的下降。真正的細分控制不但不會引起電機力矩的下降，相反，力矩會有所增加。

細分是細分驅動的其中方法，恒流的實現常用斬波驅動，給定的電流是以正弦波分布。另一種為電壓細分，這種方法是比正弦波的電壓驅動電機的線圈，可以不需要反饋地實現電機的細分驅動，但是由于電機的反電勢等的作用，正弦波電壓驅動并不能產生正弦波的電流，效果沒有電流細分好，但是它的驅動電路相對簡單。

可以提高電機的步進角分辨率，但是，這并不是細分驅動的初衷，而是為了減緩步進電機運轉過程的震動和噪聲，使電機的力矩輸出更平穩。這像數碼相機的光學變焦和數字變焦的關系，提高步進系統分辨率最好依靠電機本身和機械結構。在工程應用中，電機的細分數可能不同，在低速時，可增大細分數，當速度增加時，減少細分數。

1.3國內外相關領域研究現狀

外多年以來，隨著電力電子技術、微控制器技術、信號處理技術的飛速發展，步進電機驅動技術和驅動器的發展也十分迅速.20世紀60年代初期人們就開始使用單電壓驅動技術，隨后為了改變單電壓驅動高頻特性又發明了高低壓驅動技術。到20世紀70年代中期，人們發明了斬波驅動技術，通過斬波使步進電機繞組電流在電機工作時都保持恒定，增大了步進電機的轉矩，基本消除了低頻共振現象。之后人們又提出了對步進電機步距角細分的驅動方式，以及在此基礎上依托于現今先進的單片機技術、DSP技術和FPGA技術又產生電流矢量恒幅均勻旋轉驅動技術和電壓空間矢量調制(SVPWM)驅動技術

1975年，美國學者T.R首次在美國增量運動控制系統對步進電機步距角細分的控制方法。自此以后，步進電機的細分驅動技術得到了長足的發展，井在實際中得到了廣泛的應用叫.事實證明，步進電機驅動器利用細分驅動方式能很好的解決步進電機低頻振動的問腸，提高電機運行的稱定性，加強了控制的靈活性，l2006年，英國利物浦約翰摩爾斯大學的學者提出的電壓空間矢PWM，分析了不同的空間矢盆SVPWM的五相逆變器及其應用于正弦繞組分布的五相電動機的情況. 2009年，寨國普密蓮國王理工學院設計井仿真了基于FPGA的多模式步進電機激勵信號發生器。

此外，近幾年來，國外對步進電機的控制還致力于對集成馭動芯片的開發。市場上涌現了一大批體積小、性能高的驅動器系統集成芯片，如三洋公司開發生產的PMM8713,PMM8723, PMM8714. SGS公司生產的L297控制器和L298驅動器，日本新電元工業公司生產的MTDI110(四相斬波驅動)和MTD2001(兩相、H橋、斬波驅動)、東芝公司生產的TB6560AHQ芯片以及MOTOROLA公司生產的SAA 1042(四相)姐動芯片等r26]利用這些集成芯片，在加少盆的外圍電路，就可以完成對一個體積小、性能高、功能齊全的步進電機驅動器的設計1521.雖然這些驅動芯片有著很高的集成度和祖定性，但是難以對普通的步進電機都適用，例如L297,L298芯片只含脈沖分配和電流斬波，控制方式有限;ALLEGRO公司的UCN5804芯片只適用于4相步進電機等。

對于在集成驅動芯片的開發方面，國內與國外一些商家合資，如與日本合作開發生產了THB7128. THB8128等驅動芯片，但由于涉及到微電子技術、集成電路加工技術和電力電子技術的前沿技術，尤其是相對國外先進的控制算法，如空間圓弧插補、PVT算法、樣條插補、反向運動學算法、速度前瞻和軌跡擬合等1311國內存在一定的差距。

1.4課題研究的目的

步進電機作為一種將電脈沖轉化為角位移執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，它利用接收到的脈沖信號，驅動步進電機按預定的方向轉動一個固定的角度，可以通過控制脈沖數來達到精確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。目前，步進電機尤其是兩相混合式步進電機已廣泛應用在各個國民經濟領域的各種自動化控制系統中，而且需求A與日俱增.另外，步進電機的工作豁要使用專用的控制設備進行驅動，步進電機運行的性能除了受本身性能的影響外，還取決于驅動器的優劣。因此.市場上對步進電機驅動器的需求也將越來越大，而且對其性能要求也越來越高.                目前，市場上的兩相混合式步進電機驅動器存在以下問皿:

    1)目前兩相混合式步進電機驅動器一般都是單電機奧動器，即一個驅動器只能驅動一個步進電機，這祥對于需耍應用多臺步進電機的場合，需要購買多臺驅動器，加大了產品的生產成本和空間結構的體積。

    2)目前市場上的步進電機驅動器驅動兩相混合式步進電機運轉的最高轉速一般限制在500r/min以內，轉速再高時電機扭矩已經很小.不足以帶動較大的負載，因此使用范圍將受到大幅的限制.

    3)現有的步進電機細分馳動器馳動步進電機運行時仍存在低頻振動和高頻失步的問題，嚴重影晌了步進電機的使用穩定性和精度。針對以上問題，開發一欲新型的能滿足2路以上(最多4路)輸出的高精度與高穩定性的兩相混合步進電機驅動器將很有必要而且很有愈義和市場前景。本課壓項目就是由此而來的，課題的研究最終目的就是設計與實現一欲具有高精度與高穩定性的2路以上(最多4路)輸出的兩相混合式步進電機驅動器，適用于28-57系列的兩相混合步進電機，且能運行穩定，電機定位精度高、高速輸出扭矩恒定。

第2章  高壓隔離開關的運行

本課題以STM32FI03RST6單片機為核心控制器件，實現2路以上(最多4路)步進電機驅動器的設計。硬件部分由外部脈沖、方向、使能信號的輸入隔離與濾波處理電路，按鍵液晶的處理單元，驅動功放電路、相電流的采樣反饋電路、過溫過流保護電路以及電派處理電路等組成，并由按健和，2864液晶對步進電機的驅動電流、細分數等參數進行設定。軟件部分主要由外部脈沖輸入中斷、基于電流矢里恒幅均勻旋轉的PWM輸出脈寬移相調整、相電流采樣與PI調節等組成。

2.1 對運行中高壓隔離開關的要求

項目要求的步進電機驅動器應實現如下的功能:

(1)驅動的電機數I，通過擴展可同時塑動4路24-57系列四線制兩相混合式步進電機。

2)輸入電壓能適用于針對不同的步進電機所選用的不同供應電渾電壓，輸入電壓范圍 限布組為24-64V.

3)輸出電流能針對不同的步進電機對相電流在4.8A范困內可調，通過液晶和按鍵處理，調整定時器輸出PWM的占空比來實現.

4)步進電機驅動細分數實現1, 2. 4. 8, 16. 32. 64, 128每路可調，通過液晶和按鏈處理實現。

5)電路含有過壓、欠壓、過沮、過流、電機繞組開路.通過指示燈以及液晶顯示進行區別.過流、過壓或過沮(大于電流、電壓、工作沮度最大奮數的20%%)時自動關斷輸出，過壓、過流保護后需重新上電才可恢復，過溫時當沮度降到低到工作溫度 時可恢復工作狀態。

6)減流功能，通過按鍵和液晶設置，在電機空閑時電流自動降為運行電流的50010.

7）乃智能報錯信號輸出，任一路有過壓、欠壓、過溫、過流、電機繞組開路、程序跑等報警時，有指示燈以及液晶顯示輸出.

2.2 驅動器系統硬件構架

項目設計的步進電機驅動器系統以STM32FI03R8T6單片機為主控制器，包含按鍵輸入、LCD顯示、RC濾波電路、光電隔離電路、保護電緯、“橋驅動功放電路和電源處理電路等。系統預先將步進電機每走一微步所對應的各相電流占空比寄存器值存于各單片機中.山按鍵及液品設定步進電機、細分數、相電流幅值以及自動減流參數等，由單片機定時器自動產生多路PWM信號(舟路步進電機對應4路PWM信號).再對采樣電阻采樣的反饋電流在程序進行P1調節處理，調竹單片機發出的PWM信號的占空比，從而調節電流的大小，驅動功率驅動電路.實現閉環跟蹤控制，可通過外部脈沖、方向、使能等信控制各步進電機的正、反轉和啟停。硬件系統框圖如圖2-1所示。

2.3兩相混合步進電機驅動器軟件系統構架

軟件設計遵服“模塊化”設計原則，主要包含系統初始化模塊、參數設定及LCD顯示模塊、調用占空比寄存器班細分表模塊、定時器PWM配置模塊、AD采樣模塊以及等P1調節模塊等。

采樣模塊主要用來對步進電機各相電流進行實時采樣反饋，如果采樣電流偏離預期值過大則由報普模塊提供報普信號由LCD輸出，井且實施相應的措施，如切斷定時器輸出等。  PI調節模塊用來對步進電機各相電流的AD采樣數據進行處理比較，從而調整占空比寄存器的值，使輸出電流能達到預期電流的效果。軟件系統構如圖2-2所示。

擴展模塊是通過按鍵和液晶進行擴展設定，設定之后使定時器2和定時器3也作為PWM輸出，用來控制步進電機的運行。

第三章 兩相混合步進電機驅動器的硬件構成

   本章基于以上章節的分析以及從實踐角度的考慮，對兩相混合步進電機驅動器的硬件進行了設計，對步進電機驅動器設計的芯片進行選型，進而給出了硬件各個模塊的功能及實現方法。

目前，市場上用于步進電機驅動器開發的MCU主要包含DSP, FPGA和單片機。雖然DSP和FPGA芯片有強大的數據處理能力和高速的運行速度，但是其價格都比較昂貴，因此，基于成本考慮，電機驅動器的設計一般以含有高數據處理能力16位和32位的單片機為主，常見的如STM32F增強型系列和PIC系列單片機等。驅動電路一般以驅動芯片驅動H橋的構架為主，目前市場是越來越多集成的專用步進電機運動控制模塊，將驅動芯片和H橋集成在一個芯片當中，雖然在使用時很方便，但是這種芯片一般都有一定的限制性，而且成本較高，同時會降低驅動器的適用性。因此，結合低成本、高功能、足夠的技術儲備、短暫的開發周期等原則，本課題采用STM32F增強型系列單片機作為主MCU.采用分立元件搭建驅動電路。

3.1單片機最小系統設計

STM32F103R8T6屬于中等容量增強型.32位基于ARM最新的Cortex-M3內核.帶64 K字節閃存的微控制器，含有USB. CAN. 4個定時器、2個ADC、9個通信接口等豐畜的外設接口，具有價格低廉、運行速度快、數據處理能力強等特點，因此在電機控制方面有著廣泛的應用。

單片機的時鐘信號含有內部振蕩時鐘和外部振蕩時鐘，STM32FI03R8T6單片機系統時鐘的選擇是在啟動時進行.復位時內部8MIlz的RC振蕩器被選為默認的CPU時鐘，隨后可以選樣外部的、具失效監控的4-16MIIz時鐘.品振電路就足為了給單片機提供一個統一的外部時鐘信號，以供單片機實現同步工作方式。根據單片機的數據手冊建議.在引腳OCS IN和OCS OUT之間跨接一個8M的晶體振蕩器和兩個20p的微調電容，從而構成晶體振蕩電路。

3.2電源處理電路設計

驅動器的供電電壓為24V-64V，針對不同的步進電機使用不同的電源電壓。而驅動器內部電路需要的電壓值有12V, 5V, 3.3V. 驅動器系統要求的愉出電流最高位4.8A，電源芯片采用LM2596和LM 1117-3.3。因為LM2596的最高輸入電壓為40V，而驅動器的電源電壓要求能達到64V，所以在電源輸入端與LM2596之間再加一個TIP122作為限壓緩沖，TIP122的輸出電流能達到8A.滿足系統要求. LM25%的輸出電流能達到3A.因此能滿足足夠的馭動能力。LM1117-3.3 產生3.3V電壓用來給單片機供電。

過壓保護通過TIP122,穩壓二極管1N4749A和限流電限進行實現.TIP122的愉入耐壓能達到IOOV.歧大電流8A. 1N4749A的標稱電壓為24V，將電源電壓穩壓到24V后給后續的LM2596供電，而電機的驅動電壓由電源電壓直接提供。過流保護采用常規的保險絲方式，保險絲選用自恢復式保險趁。反接保護采用反接二極管到地的方式，當電源反接時，二極管導通，電流直接經過二極管和保險絲，而不經過后級系統，以起到保護作用。

3.3 保護電路設計

系統保護電路包括過壓保護、欠壓保護、相電流過流保護和過溫保護等. 電源電壓的過壓和過流保護采用穩壓二極竹和自恢復保險性進行處理，詳見電源處理電路設計部分。欠壓保護通過單片機內置的供電槍淵器進行檢測判斷.以軟件處理來實現對運行數據的保護。Mt1電流過流保護通過對采樣電流進行處理與設定電流位進行比較，通過比較結果控制電路的工作狀態。

   過濫保護電路通過溫度傳感器LM35CZ來實現，LM35CZ是枯密的攝氏溫度傳感器.其愉出電壓線性的與溫度成正比，額定溫度范圍達到-55℃-1500℃，功耗低于605A。通過LM35CZ對驅動器溫度進行采樣轉換為電壓信號，再將電壓信號進行灘波放大后與預設電壓進行比較，從而控制10口的電平信號，檢測是否過溫，從而控制單片機的輸出狀態。

第4章  兩相混合步進電機驅動器的軟件設計

本課題以STM32FI03RST6單片機為核心控制器件，實現2路以上(最多4路)步進電機驅動器的設計。硬件部分由外部脈沖、方向、使能信號的輸入隔離與濾波處理電路，按鍵液晶的處理單元，驅動功放電路、相電流的采樣反饋電路、過溫過流保護電路以及電派處理電路等組成，并由按健和，2864液晶對步進電機的驅動電流、細分數等參數進行設定。軟件部分主要由外部脈沖輸入中斷、基于電流矢里恒幅均勻旋轉的PWM輸出脈寬移相調整、相電流采樣與PI調節等組成。

4.1 系統初始化及主流程求

系統初始化包括對系統主時鐘、總線時鐘AP13I與APB2的配置，GPIO端口輸入輸出功能的配置，MOA通道的配置等.首先，通過按跳及液晶對各步進電機的參數進行設定，參數設定保存后需要讓系統進行自檢.系統根據設定的參數以60r/min的轉速讓電機正反轉各跑兩圈.以實現對電機驅動系統的自檢。在自檢過程中.系統先根據設定值初步產生占空比寄存器位細分表.再通過AD采樣濾波檢測電機相電流位，通過軟件處理并調錐占空比細分表。

自檢完成后，保存細分表到/lash當中。當系統運行時.由定時錯TIM產生A相和相相位差90°的PWM信號，系統通過外部中斷口對上位機CP的上升沿信號進行實時中斷處理.在中斷中調用自檢調整保存的細分表調9 PWM輸出信號的占空比值.從而驅動步進電機運行。系統再通過AD分時采樣各個電機電流信號.通過中值濾波比較獲取電流偏差，根據電流偏差進行PI調節，重新調整細分表中的占空比寄存器值.

4.2占空比寄存器

本課題項目設計的驅動器控制的步進電機的運行方向和繞組電流的大小實際由輸出的PWM占空比的大小來決定。假設PWM的周期為T,高電平占用時問為t.無死區時問.因此，PWM的占空比y=t/T，可得電機繞組平均電壓，其中，V為加在電機繞組上的電壓值.當占空比為500/a時，在一個PWM周期內平均電壓為。，平均電流歹IR也為。(R為電機繞組阻值)，電機不轉.當占空比高于50%時實現了繞組電流的反向，從而控制步進電機繞組電流大小和方向，即控制步進電機運行的方向.

4.3 定時器PWM輸出配置

單片機在接收到上位機使能信號后，由單片機定時器模塊自動產生頻率為20K, 占空比為50%的PWM信號，不影響其它程序的運行。此時步進電機屬于鎖住狀態，只有得到上位機CP脈沖后步進電機才會轉動.

第5章  關鍵技術處理

5.1解決超調與功率管發熱問題的PWM機制優化處理方法

為解決在驅動器在電機繞組電流切換向時產生浪涌超調與功率管發熱的問題，項目在驅動電路續流方式上采用了緩慢續流棋式和快速續流模式混合的混合續流方式。所謂緩慢續流為兩個高端功率管(或兩個低端功率管)同時導通，低端功率管(成高端功率管)截止時，即在電機繞組短路時形成的續流，在此續流模式下，繞組電流波動小電機相電流與設定電流接近，可以有效提商步進電機的運行性能，降低功率管的開關損耗和磁滯損耗，減少發熱，但該模式在電機中高速運行時，由于續流緩慢，造成負載電流不能快速下降而不能保證電流調節充分從而產生超調現象:快速續流摸式為當一側的高端管(低端管)導通時，另一側的低端管(高端管)導通，電流通過兩個導通功率管及繞組對地形成快速放電模式，此模式一般用于電機快速運行時，此時電流衰減快，產生的電流紋波大，步進電機和高功率管發熱增加，因此，為保證對電流有效跟蹤反饋以及盡可能的降低開關扭耗，項目選用混合續流模式，根據控制的搖要選擇快速或慢速續流模式，如下圖，定時器PWM輸出采用對中模式，這樣在占空比調節時電機一相二端電壓的高電平始終對齊，在一個周期內，電機一相兩端的電壓同為高或低時(Q1與Q2導通或Q3與Q4導通)實現了慢速續流，一端為高電平一端為低電平時(Q1與Q4導通或Q3與Q2導通)實現了快速續流，整個周期實現了混合續流.

5.2電機驅動器可擴展處理技術

一般設備對步進電機應用往往是多臺應用.為了降低因使用多個步進電機的而增加的驅動器的成本.課越設計與實現的步進電機馭動可馭動兩路電機.經過擴展可最多驅動4路步進電機，以適應不同的應用場合。

系統的擴展的只是擴展了電機功率驅動與AD采樣部分，將功率驅動與AD采樣部分做成模塊化結構.插到4本部分擴展抽上。在荃本部分的擴展枯上，留有征一路的馭動信號，AD采樣返回俏號口.電源口.外部脈沖、方向、使能信號口以及數字地和模擬地接口。重要的是還有一個擴展使能口。

第6章  結論

隨著社會的進步與發展，尤其是隨著徽電子技術、電力電子技術和計算機技術的發展，以工業自動化代替人工的趨勢己經越來越明顯，而步進電機作為工業控制的一種執行元件，機電一體化的關鍵產品之一勢必將越來越受到人們的關注，其社會需求量將與日俱增。由于步進電機必須使用步進電機驅動器進行驅動，因此對步進電機驅動器的開發也將其有重要念義和廣闊的市場前景。

    本文針對步進電機的運行特性進行和工作原理，指出了步進電機與傳統9動器在運行當中存在的共振、嗓聲和精度低的問題，以及目前驅動器所能馭動的步進電機路數少、驅動的電機種類少的問題，提出了多路輸出的高精度和高艷定性的兩相混合步進電機駱動器的設計與實現方案，采用電流矢t恒幅均勻旋轉的多細分控制技術，提高了兩相混合步進電機的定位精度，降低了其在低速運行時的低頻共振和嗓聲現象。使步進電機運行平穩、平滑，實現了對多電機的輸出控制。

本課題針對目前步進電機應用中所存在的問題，設計了具有高精度和高穩定性的多路輸出兩相混合步進電機驅動器。課題設計驅動器硬件部分主要分為STM32F I03CST6單片機的核心處理電路、信號的輸入輸出隔離電路、按鍵液晶的處理單元、驅動功放電路、相電流的采樣反饋電路、過沮過流保護電路以及電源處理電路等.同時，針對一個馳動器可同時同步驅動多個步進電機的問題，提出了步進電機驅動器軟硬件設計上的關鍵技術的處理方案以及可擴展多路輸出的控制處理方案。全文的展開分為驅動器的整體設計方案、硬件設計、軟件設計、關健技術處理以及調試處理等方面。首先對步進電機驅動器的功能豁求進行了分析，給出了驅動器的設計原理以及多路輸出兩相混合步進電機驅動器的總體設計構架和系統軟件設計方案。然后對步進電機驅動舒主控制芯片一--STM32FI03R8T6單片機進行了介紹和研究，介紹了項目硬件設計中重要模塊的相關理論與技術，井進行了硬件電路的設計與實現，同時分析了在硬件上如何對驅動器進行抗干擾的處理;在軟件設計上，遵循便于擴展和便于維護的原則.采用“模塊化”設計的方法設計了系統軟件。

總之，隨著電力電子技術、微電子技術等的發展和應用，以及模糊控制等控制技術和策略的不斷涌現，為兩相混合式步進電機的控制技術又提供了新的方向，混合式步進電機驅動控制將朝著數字化與智能化不斷發展，其應用前景非常廣闊。