电脑绣花机电控系统中的许多驱动电机都采用了两相混合式步进电机。两相混合式步进电机是步进电机三大类型中应用最为广泛的一种，但是，如果不采取先进的驱动技术，则存在着驱动电路效率低、低频振荡、电磁噪声大、高频运行精度差等缺点[1]。基于Microchip公司的PIC16F914单片机，根据合成电流矢量恒幅均匀旋转原理，采用PWM细分技术和电流反馈闭环控制而设计的两相细分驱动器，可以大大改善步进电机的运行效果，使其运行平滑、无振动、定位精度高。

1 步进电机恒力矩均匀细分原理

步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分[2]。细分的方法有多种，一般采用一相绕组电流恒定，另一相绕组电流成阶梯状通入或切除的方式，但这样会造成合成电流矢量幅值不断变化，电机运行不平稳。以两相混合式步进电机为例，图1为采用一般细分方法四细分通电时的电流矢量图。从图中可明显地看到，合成电流矢量幅值不断变化，最高时可达1.414倍。

本设计采用电流矢量恒幅均匀旋转的细分方法，即分别给两相绕组同时通以正、余弦变化的电流，使合成的电流矢量恒幅均匀旋转，从而实现步进电机步距的均匀细分。图2是两相混合式步进电机四细分通电时的电流合成矢量图。电机转子由IA到IB转过90°电角度，电机则转过一个步距角。细分时，电角度等分成N（N为细分数）等分，对应的细分之后的步距角为1.8／N 。两相电流按iA=IMsin α,iB=IMcos α（IM为绕组额定电流，α为电机转过的角度，是细分电角度的倍数）变化时，即可实现电流矢量恒幅均匀旋转[3]。

2 系统总体设计

系统由单片机、功率驱动、电流采样、过流保护以及其他相关电路组成，其系统框图如图3所示。单片机接收主板的控制信号后，由PWM模块产生PWM信号，通过功率驱动模块驱动电机运行，电机绕组中的电流经精密采样电阻转换成电压，再经放大滤波后送入单片机内置10位A/D转换器进行转换。转换后的数据经过程序处理，用于调整PWM信号的占空比，从而调整和控制电机绕组电流，实现电流的闭环控制。过流保护电路在绕组电流过流时产生单片机中断和封锁功率驱动的PWM输入，保护整个驱动电路和电机。

图1 一般细分方法四细分电流矢量图图2 恒幅电流矢量图

图3 PWM微步细分系统框图

3 硬件电路设计

3.1 单片机电路

单片机的速度直接影响系统的响应频率，所以选用了Microchip公司的PIC16F914单片机。其采用精简指令集RISC结构，仅30几条单字节指令，除跳转指令为双周期指令外，其余的均为单周期指令；CPU采用指令与数据分离的哈佛结构，两级流水线指令取数与执行，这使得PIC在代码压缩与执行速度方面与同类的8位单片机相比，具有较大的优势[4]。PIC16F914单片机，采用CMOS工艺制造，功耗低，I/O口最多可达35个，扇出电流可达25 mA，驱动能力强；内置1个10位A/D转换器、2个CCP模块，可以同时输出两路PWM，这正符合本设计的需求。在CCP模块中设置好PWM信号的周期和占空比后，单片机自动产生PWM信号，不影响其他程序的执行，相比由程序产生的PWM信号有无可比拟的优势。

3.2 功率驱动电路

功率驱动电路采用由桥式驱动芯片IRS2110和功率MOS管组成的全桥驱动电路。IRS2110是一种双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块；在芯片中采用了高度集成的电平转换技术,大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求,同时提高了驱动电路的可靠性[5]。功率MOS管不存在二次击穿，可以不用复杂的浪涌吸收电路，所以电路简单。 A相的驱动电路如图4和图5所示。

图4 IRS2110外围电路

图5 步进电机全桥驱动电路

信号PWMA经过“非”门74LS14后形成了一组互补的PWM信号，经过IRS2110驱动功率MOS管。IRS2110的输入关闭端（SD）连接到过流保护信号，一旦电机绕组电流超过给定参考值，过流保护电路就产生一个高电平，IRS2110切断PWM信号，关断功率MOS管。功率MOS管选用Fairchild公司的FQU13N10L。其开关速度快，最高驱动电压为100 V，最大驱动电流为10 A，导通电阻为0.18 Ω，功耗较小。MOS管的栅极和源极之间并联+15 V的稳压管IN4744A和10 kΩ的电阻，以保护功率场效应管。B相的驱动电路与A相的完全相同。

3.3 电流反馈电路

电流的反馈采用0.25 Ω的精密采样电阻将电流转换成电压，经滤波、放大后直接进入单片机A/D输入通道进行A/D转换，转换后的电流数值在程序中进行数据处理后调节单片机发出的PWM信号的占空比，从而调节电流的大小，实现电流的闭环控制。以A相为例，其电流采样电路如图6所示。

图6 电流采样电路

A相采样电阻上的采样电压Vaf经过一个RC滤波和运算放大器同相放大后，进入单片机的A/D转换输入端口进行A/D转换。放大电路采用了同相放大，可以省掉设计负电压电路。图6中放大倍数A=1+R1/R2，采样电压放大了4倍。

3.4 过流保护电路

电机在运行中会受到驱动电压的波动或者其他干扰而出现绕组电流过流，因此必须采取相应的保护措施来保护电机，过流保护电路如图7所示。经过处理的采样电压与参考电压相比较，一旦高于参考电压，比较器翻转得到一个高电平。这个高电平接入单片机的外部中断口，引起单片机的外部中断；单片机响应中断进入过流保护程序，待电流下降后返回到正常运行程序。同时，这个高电平连接到IRS2110的输入关闭端，IRS2110切断PWM信号，关断功率MOS管，起到双重保护。

图7 过流保护电路

4 软件设计

4.1 系统程序流程

软件编程对于系统的微步细分、电流闭环、电机转向、位置控制等功能的实现至关重要。系统程序分为主程序和中断程序： 主程序主要是端口初始化和寄存器的初始化；中断程序是系统程序的主体，电机的微步细分、电流闭环、过流保护、电机转向等都在中断程序中完成，系统程序流程如图8所示。

图8 系统程序流程

4.2 PWM细分的软件实现

由图4及图5的驱动电路可知，电机绕组电流是在双极性PWM波形的电压下形成的，所以电机绕组电流的大小和方向取决于PWM波占空比的大小。设PWM波的周期为T，高电平的时间为t1,忽略死区时间，则低电平的时间为T-t，PWM波占空比γ=t1/T；设电源电压为V，则电机绕组两端的电压平均值为： 由式(1)可知，当占空比γ在50%时，电机绕组在一个PWM周期内的合成电流为零，此时电机不转。当占空比以50%为基准在其左右以正、余弦规律变化时，电机绕组两端的平均电压就会成正、余弦变化，进而绕组电流也成正、余弦变化。占空比高于50%时，电流从A+到A-，设为A+；占空比低于50%时，电流从A-到A+，设为A-。B相雷同。

PIC16F914单片机内部集成有两路PWM模块，PWM信号的周期和占空比取决于PWM模块周期寄存器和占空比寄存器的值，PWM周期寄存器的值不变（系统中PWM频率设定为20 kHz），改变占空比寄存器的值就可改变占空比。为了减小单片机的运算量，提高程序执行速度，根据电路参数、电机参数和细分数，以50%为基准，占空比按正弦规律（γ=50%+Asin(Sπ/4N),A为系数，S为所走微步数，N为细分数）离线计算每走一微步的电流所对应的占空比，再将占空比转化为单片机占空比寄存器的值，制成表格，程序通过查表来给定电机绕组电流。与此同时，电流反馈回路将电机绕组电流的瞬时值送入单片机的内置10位A/D进行转换，经过数据处理后与给定的PWM占空比寄存器的值进行比较，对PWM的占空比进行调整，即电流闭环瞬时电流跟踪控制策略。根据查表的顺序，还可以控制电机正反转。

由于步进电机的结构使其呈现非线性，实际上按正、余弦规律变化的PWM占空比并不能使电机电流完全按照正、余弦变化，所以要根据实际电机参数在调试中不断修正PWM占空比，使绕组电流矢量尽可能恒幅均匀旋转，以达到更好的控制效果，例如采用线性加正、余弦的变化规律。

5 结论

基于电流矢量恒幅均匀旋转的细分方式和电流闭环瞬时电流跟踪控制策略的细分驱动电路，带动42BYGH型两相混合式步进电机在90°电角中32细分时，低速运行平稳，无振荡，噪声小，力矩大，精度高；针对不同规格的两相混合式步进电机能方便地修改参数，目前已成功应用到了某公司的电脑绣花机电控系统中，在其他控制场合也有较强的实用性。如果控制芯片选用DSP，其强大的数据处理能力，能大大提高细分数和减小电流控制偏差，使系统性能进一步提升。