接口接口/总线总线/驱动中的基于驱动中的基于STM32F103RB的两相混合式步进电机的两相混合式步进电机
细分驱动器设计细分驱动器设计
摘要：根据两相混合式步进电机细分驱动原理，设计了一种基于STM32F103RB单片机的、细分度可调的步进电
机驱动器。控制器采用电流矢量控制算法，通过双H桥驱动步进电机的两相转子。利用片内AD对电机转子电流
进行采样，将矢量角度的目标值与测量值进行比较、调节，形成电流环，进而实现对整个周期电流阶梯的细分
度控制。本文还介绍了该控制器的软硬件设计方案，并对该设计的实际电路进行了测试，结果表明控制器达到
了设计目标，减少了低频振荡，提高了步进电机的控制性能。 步进电机是一种运用广泛的控制电机，其特
征是不使用位置反馈回路就能进行速度控制及定位控制，即所谓的电机开环控制。相对于伺服电机，步进电机
有着成本
摘要：根据两相混合式步进电机细分驱动原理，设计了一种基于STM32F103RB单片机的、细分度可调的步进电机驱动
器。控制器采用电流矢量控制算法，通过双H桥驱动步进电机的两相转子。利用片内AD对电机转子电流进行采样，将矢量角
度的目标值与测量值进行比较、调节，形成电流环，进而实现对整个周期电流阶梯的细分度控制。本文还介绍了该控制器的软
硬件设计方案，并对该设计的实际电路进行了测试，结果表明控制器达到了设计目标，减少了低频振荡，提高了步进电机的控
制性能。
步进电机是一种运用广泛的控制电机，其特征是不使用位置反馈回路就能进行速度控制及定位控制，即所谓的电机开环控
制。相对于伺服电机，步进电机有着成本低廉，控制简单等优点，尤其是两相混合式步进电机，在工业运动控制系统中有着广
泛的应用。然而，传统的驱动方式，比如单电压驱动、高低电压驱动、斩波恒流驱动等等，虽然已经应用十分成熟，但是只限
于低速运行，并且细分度一般限制在1／2步距，无法很好消除低频振荡，以及定位精度差等缺点。细分驱动的出现很好地弥
补了这一缺点。
常见的细分控制器一般由MCU、专用逻辑驱动芯片以及功率驱动模块组成，这样的驱动器虽然能满足多细分驱动，但由
于细分数量和效果会受到逻辑驱动芯片的影响，并且无法调整细分数和限流值、从而造成系统调试困难、矩频特性差等缺点。
本文使用ST公司的32位ARM单片机，加上MOSFET驱动模块及电流传感模块，省去了逻辑驱动芯片。电机电流采用单片机内
部AD采样，控制逻辑算法直接由单片机软件实现，MOSFET按照外部输入的脉冲速度及内部的时序来运行，从而大大简化了
应用电路，提高了电路的通用性和驱动性能。
1 意法半导体意法半导体STM32F103RB单片机简述单片机简述
STM32F103RB采用ARM公司最新的Cortex-M3内核，具有运行速度高、处理能力强、外设接口丰富等特点。由于其低廉
的价格和很强的控制、运算性能，被广泛运用于电机控制。其具体性能指标如下：1)工作频率：最高72 MHz；工作温度范
围：-40～+85℃；宽电压供电：2．0～3．6 V；2)128 k字节的闪存存储器和16 k的SRAM；3)12位16通道AD转换器具有双采
样和保持功能，转换时间最短1μs。4)3个16位通用定时器，每个定时器有多达4个通道，用于输入捕获／输出比较／PWM或
脉冲输出；1个16位带死区控制盒紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器。
2 细分驱动原理细分驱动原理
一般两相步进电机驱动分为单极型和双极性驱动两种，单极型驱动适用于6线制电机，这样的驱动方法等于将两相电机转
变为四相电机，从表面上看步距角缺损减小了，实则是以牺牲电机的拖动转矩换来的，这样电机的带负载能力就会大大下降。
而双极型驱动则主要针对两相四线(或者八线制)电机，一般机械步距角为50齿1．8°(也可为100齿0．9°价格较贵)，故细分驱
动技术主要是通过对步进电机的相电流进行阶梯化控制，使电机的以更小的单位步距角运行，从而减小步长和低频振荡。细分
驱动的思想是把原来简单的对转子电流的通断过程改变为逐渐的改变各相绕组的电流大小和方向，使电机内部的空间合成磁场
逐步改变，这样就能把原来的一个步距角的通电方式改变成为跟随电流的阶梯波，变成多步。具体的计算方法如下：
转矩T在一般情况下可表示为：
T=KT·(-Iasinθ+Ibcosθ) (1)
式子中KT在理想状态下的比例常数，θ为转子的电角度位置。
如果两相步进电机的矩角特性是正弦波，则给绕组通入如下电流：
Ia=Im·cosβ
Ib=Im·sinβ (2)
β为电机希望定位的电角度。
将式(2)代入式(1)，则
T=KT·Im·sin(β-θ) (3)
从而可见，两相混合式步进电机的细分就是控制两相绕组中的电流大小。理想状态下，电机内部的磁场为圆形空间旋转磁
场，使步进电机按照交流同步电机的方式旋转。而AB相的理想电流为正弦波，而一般情况下通过阶梯波来模拟正弦波，从而
达到恒转矩幅值的控制效果。而转矩的大小由合成磁场的矢量来决定，即相邻两个合成磁场的夹角为细分步距角。每当β变化
一度，则步进电机走过1／360的电角度，例如一般的8细分控制，则β的步长为π／16。所以为了实现对两相混合式步进电机
评论0