引言

步進電動機驅(qū)動方式主要分為恒壓驅(qū)動、恒流驅(qū)動、細分驅(qū)動等，其中恒壓驅(qū)動是成本最低、最簡單的解決方案，但是它的顯著缺點是：高頻力矩下降較快，無法滿足某些應用場合的要求。另外，目前市場上幾乎所有的步進電機驅(qū)動器都存在著低頻熱耗散大的缺點。在成本壓力較大、對功耗和高低頻力矩都有較高要求的情況下，如何取舍是一件很難抉擇的事情。

本設(shè)計通過一個低成本可控電源，針對控制頻率的全程范圍，相應輸出若干段電壓，低頻低壓、高頻高壓。同時，在同一頻率下采用高低壓驅(qū)動法，在電機啟動時刻提供高電壓，力矩保持階段提供低電壓，從而實現(xiàn)了低成本下的高頻力矩提升、低頻功耗下降的優(yōu)良效果。

硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路主要由單片機電路、可控電源電路和步進電機驅(qū)動電路構(gòu)成。單片機采用ATMEL公司的89C2051。實際應用中，用其P1口低4 位輸出控制信號給可控電源電路，使可控電源輸出不同梯次的驅(qū)動電壓，當控制信號為“0000”時輸出電壓最低，控制信號為“1111”時輸出電壓最高，P1口高4 位用于輸出相序控制信號給四相步進電機驅(qū)動電路，單片機根據(jù)控制策略決定驅(qū)動電壓的高低和相序的變化。

可控電源

可控電源部分主要由LM2576-ADJ、緩沖器、電阻、二極管組成，電路如圖1所示。圖中LM2576-ADJ是一個降壓型開關(guān)穩(wěn)壓源，其輸出電壓為：

圖1 可控電源電路

其中VH 為緩沖器輸出的高電平電壓，VD 為二極管結(jié)壓降，VREF 為參考電壓，Di 為單片機I/O口數(shù)字量輸出。電路中采用緩沖器是為了提高高電平輸出的穩(wěn)定性和電流驅(qū)動能力，權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)在單片機I/O口數(shù)字量控制下向VREF 節(jié)點提供電流從而改變輸出電壓Vout，二極管的作用是防止控制信號為低電平時產(chǎn)生反相電流。本設(shè)計采用4 位I/O控制信號，形成了4位8級可調(diào)電源。

四相步進電機驅(qū)動電路

圖2所示為四相單極性步進電機驅(qū)動電路，主要由MOSFET、續(xù)流二極管、電阻組成。單片機I/O口輸出信號MA、MB、MC、MD為高電平時，相應的開關(guān)管MOSFET導通，Vout向?qū)碾姍C繞組供電。電路中為了減小驅(qū)動元件的壓降，采用了具有低導通電阻特性的MOSFET器件，利用二極管和電阻構(gòu)成電機繞組的續(xù)流回路，避免了MOSFET器件在換相時由于瞬間電壓過高而擊穿。

圖2 四項步進電機驅(qū)動電路

控制方案及軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)高頻力矩提升、低頻功耗下降的目的，設(shè)計中采用了高低壓驅(qū)動和驅(qū)動電壓根據(jù)頻率分段而調(diào)整相結(jié)合的控制策略。