[科普中国]-步进电机控制器

步进电机控制器是一种能够发出均匀脉冲信号的电子产品，它发出的信号进入步进电机驱动器后，会由驱动器转换成步进电机所需要的强电流信号，带动步进电机运转。步进电机控制器能够准确的控制步进电机转过每一个角度。

驱动器所接收的是脉冲信号，每收到一个脉冲，驱动器会给电机一个脉冲使电机转过一个固定的角度，就因为这个特点，步进电机才会被广泛的应用到现在的各个行业里

基于PIC24F的无线步进电机控制器1、步进电机驱动电路

在H桥电路的基础上设计步进电机驱动电路。采用分立元件MOS管搭建双H桥驱动电路是成熟的电机控制方案，电路不复杂，性能可靠，根据MOS管的不同工作电流的上限甚至可以高达数十安培，是理想的步进电机驱动器方案。MOS管H桥驱动电路有NMOS构型和PMOS+NMOS构型，全NMOS管H桥导通电阻更小，但上桥臂的NMOS管的导通电压高于电源电压，需要额外的升压电路，这样增加了电路的复杂程度和成本，我们采用PMOS+NMOS构型方式搭建双H桥步进电机驱动电路，电路更简洁，成本更低；且在这样的小电流工作场合，PMOS所增加的导通损耗可以忽略不计。驱动电路与MCU之间进行光电隔离，选用广泛使用的低成本光耦PC817。加入双输入四通道与门（74HC08D），为驱动电路添加使能的功能，即只有在使能的前提下，四路控制信号才是有效的，使步进电机运行更安全稳定MOS管选用IRF5305和IRF1205，其参数为55V、110A，TO252贴片封装。步进电机驱动电路原理图如图所示。

2、电机参数测量电路

为了实时监测步进电机的运行状态是否正常，为驱动器设计了电机参数测量功能、通过实时监测电机的工作电压、工作相电流和机壳温度来实时获取电机的运行参数，保证电机运行安全稳定。

电机电流采样电阻选用康铜电阻，一端连接H桥下方，另一端接GND，其工作温度范围宽，温度系数仅为-40~40*10-6/℃，是高精度电流采样电阻的理想选择。电压电流信号调理电路采用LM324运放搭建，电压跟随后送入MCU，由MCU内置10Bit A/D转换器进行A/D采样。机壳温度监测选用数字温芯片DS18B20，将其贴至电机外壳表面，实时监测温度参数并送入MCU。电机参数检测电路原理图如图所示。在进行电路设计时，使用0欧姆电阻将模拟地（AGND）和数字地（GND）单点连接，以降低相互干扰，提高电路性能。

3、电源及MCU控制电路

系统中，驱动电路用输入电压供电，MCU和蓝牙模块需要额外的3.3V电压供电，传统的线性稳压器效率低、尺寸大且发热严重，因此使用DC—DC开关电源方式提供3.3V电压。开关稳压芯片选用MPS公司MP2359方案，其效率可高至92%、工作频率高达1.4MHZ，极高的工作频率决定其只需要小容量的输入电容、输出电容和功率电感即可正常工作。蓝牙选用HC- 05模块 ，串口自动发送。主控芯片为PIC24FJ64GA004，电源及主控芯片外围电路如图。1

应用设置1、设置步进驱动器的细分数，通常细分数越高，控制分辨率越高。但细分数太高则影响到最大进给速度。一般来说，对于模具机用户可考虑脉冲当量为0.001mm/P（此时最大进给速度为9600mm/min）或者0.0005mm/P（此时最大进给速度为4800mm/min）；对于精度要求不高的用户，脉冲当量可设置的大一些，如0.002mm/P（此时最大进给速度为19200mm/min）或0.005mm/P（此时最大进给速度为48000mm/min）。对于两相步进电机，脉冲当量计算方法如下：脉冲当量=丝杠螺距÷细分数÷200。

2、起跳速度：该参数对应步进电机的起跳频率。所谓起跳频率是步进电机不经过加速，能够直接启动工作的最高频率。合理地选取该参数能够提高加工效率，并且能避开步进电机运动特性不好的低速段；但是如果该参数选取大了，就会造成闷车，所以一定要留有余量。在电机的出厂参数中，一般包含起跳频率参数。但是在机床装配好后，该值可能发生变化，一般要下降，特别是在做带负载运动时。所以，该设定参数最好是在参考电机出厂参数后，再实际测量决定。

3、单轴加速度：用以描述单个进给轴的加减速能力，单位是毫米/秒平方。这个指标由机床的物理特性决定，如运动部分的质量、进给电机的扭矩、阻力、切削负载等。这个值越大，在运动过程中花在加减速过程中的时间越小，效率越高。通常，对于步进电机，该值在100 ~ 500之间，对于伺服电机系统，可以设置在400 ~ 1200之间。在设置过程中，开始设置小一点，运行一段时间，重复做各种典型运动，注意观察，如果没有异常情况，然后逐步增加。如果发现异常情况，则降低该值，并留50%~100%的保险余量。

4、弯道加速度：用以描述多个进给轴联动时的加减速能力，单位是毫米/秒平方。它决定了机床在做圆弧运动时的最高速度。这个值越大，机床在做圆弧运动时的最大允许速度越大。通常，对于步进电机系统组成的机床，该值在400~1000之间，对于伺服电机系统，可以设置在1000 ~ 5000之间。如果是重型机床，该值要小一些。在设置过程中，开始设置小一点，运行一段时间，重复做各种典型联动运动，注意观察，如果没有异常情况，然后逐步增加。如果发现异常情况，则降低该值，并留50%~100%的保险余量。

通常考虑到步进电机的驱动能力、机械装配的摩擦、机械部件的承受能力，可以在厂商参数中修改各个轴的最大速度，对机床用户实际使用时的三个轴最大速度予以限制，。

5、根据三个轴零点传感器的安装位置，设置厂商参数中的回机械原点参数。当设置正确后，可运行“操作”菜单中的“回机械原点”。先单轴回，如果运动方向正确则继续回，否则需停止，重新设置设置厂商参数中的回机械原点方向，直至所有轴都可回机械原点。

6、设置自动加油参数（设置得小一些，如5秒加一次油），观察自动加油是否正确，如果正确，则将自动加油参数设置到实际需要的参数。

7．校验电子齿轮和脉冲当量的设定值是否匹配。可以在机床的任意一根轴上做个标记，在软件中把该点坐标设为工作零点，用直接输入指令、点动或手轮等工作方式使该轴走固定距离，用游标卡尺测量实际距离与软件中坐标显示距离是否相附。

8、测定有无丢脉冲。您可以用直观的方法：用一把尖刀在工件毛坯上点一个点，把该点设为工作原点，抬高Z轴，然后把Z轴坐标设为0；反复使机床运动，比如空刀跑一个典型的加工程序（最好包含三轴联动），可在加工中暂停或停止，然后回工件原点，缓慢下降Z轴，看刀尖与毛坯上的点是否吻合。如有偏差，请检查步进驱动器接收脉冲信号的类型，检查端子板与驱动器间接线是否有误。如果还出现闷车或丢步，按10、11、12步调整加速度等参数。2

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学