探析步進電機細分驅動在降低打印機起步壓縮度中的應用

摘要：通過控制步進電機中多相繞組中的電流，使其維持一定的上升或下降頻率，從而在零電流與最大電流之間形成多個穩定的中間電流，實現細分布局旋轉的驅動方式，應用于降低打印機起步壓縮度時，具備較大的可行性。本文對步進電機細分驅動及其應用于降低打印機起步壓縮度的控制算法進行介紹，以供參考。

關鍵詞：步進電機;細分驅動技術;起步壓縮度;細分布局旋轉

0.??? 引言

步進電機是指將電脈沖信號轉變為角位移或者線位移的一種開環控制元件。在正常情況下（不出現超載情況），流經電機電脈沖信號的頻率、脈沖數，可以不受負載變化的影響，直接決定電機的轉速以及停止位置。步進電機細分驅動技術源于20世紀70年代中期，能夠改進步進電機的綜合性能，提升控制效率。

1.??? 步進電機細分驅動技術簡介

1.1? 步進電機細分驅動控制系統結構簡述

現代步進電機基于嵌入式微處理器，通過獨立的PWM（即脈沖寬度調制，經由微處理器的數字輸出，對模擬電路進行全面控制）模塊，對步進電機中獨立產生的多路電機信號進行精確控制。與傳統控制模式的區別在于，步進電機細分驅動與針對性、功能性控制模式無需借助及其復雜的程序算法，在大框架不變的情況下，可以通過脈寬調制與功能調用，完成對電機的控制。其主要結構如下：首先，控制系統包含四項組成部分，即步進電機、細分驅動電路、以微處理器（以PLC可編程邏輯為代表）構成的專用控制電路、嵌入式工控系統。其中，電機作為受控端，依次接受來自其他三個模塊的指令，從而完成各項功能。其次，嵌入式工控系統中將特定的運動方式，通過程序算法的形式完成設定，進而將運動方式傳遞至以微處理器構成的專用控制電路，在復位的同時，完成初始化作業。最后，控制信號輸出方向、系統啟動、控制PWM均有控制電路傳遞至步進電機細分驅動電路，并將多相電流傳至電機，實現系統各項功能。

1.2? 步進電機細分驅動控制理論模型構建方式

在步進電機細分驅動的過程中，影響控制精度的核心問題在于，驅動頻率可能達到甚至超過20kHz。根據脈沖控制的一般規律，高頻率脈沖信號盡管有助于降低驅動電路系統中的噪聲等干擾項，但步進電機也會同時受到高頻率信號的沖擊，導致失步現象。因此，為了避免高頻率的影響，盡可能地減少或或完全避免失步現象，需要構建理論模型，對步進電機細分驅動的控制過程進行調整。具體形式為：（1）設定步進電機加減速度的模式（針對勻速時間為0的情況展開分析），使電機驅動控制系統處于“整體加速階段，脈沖信號每輸出一次后，定時器記錄信息值增加‘1”的狀態。此時，定時器記錄值為tn，脈沖信號周期為Tn，脈沖頻率為f（nn表示加速脈沖）。電機控制系統驟然啟動時的速度為0，將定時器的初始值設定為D0。當系統整體處于加速階段的第一個脈沖周期時，上述參數相互之間的關系和取值情況為：

Tn=Dn/f0，此時的tn取值為0。????? （1）

進入第二個脈沖周期后時，控制系統的運行方式受到細分驅動程序算法的影響，轉變為：

Tn=（Dn-β）/fn，經過轉換后，得出Tn=T1-（n-1）β/f（01）（2）

此時可以對脈沖時間進行如下定義：

tn=T1+T2+……+Tn-1?????? （3）

經過變換后，得出tn=（n-1）T1-（n-1）（n-2）·β/2f0?? （4）

此時的脈沖頻率Tn=1/fn=T1-（n-1）β/f0?? （5）

當脈沖時間、脈沖頻率得到確認之后，對兩項參數進行簡化，得出兩者之間的關系為：

由此可見，當脈沖信號速度不斷降低時，脈沖頻率也會隨之減小，從而達到細分驅動控制的目的[1]。

2.??? 步進電機細分驅動技術在降低打印機起步壓縮度中的具體應用

步進電機細分驅動系統應用于打印機起步壓縮度降低時，可以采用常規的PWM脈寬調制驅動技術，利用晶體管的開關特性（有效降低發熱強度），并將脈沖信號的占空比控制在理想區間內。基于PWM的步進電機細分驅動控制原理為，DSP控制芯片輸出PWM脈沖信號，驅動放大電路運轉，控制步進電機完成轉動。基于上述思路，設置降低打印機起步壓縮度的程序算法時，可以基于多種控制函數曲線（如直線型、指數遞增型、階梯型和S變換型等），依照相似的原理，實現有關功能。總體思路為：首先，DPS處理器模塊與細分控制集成電路模塊完成程序算法的監督與運轉，避免出現干擾信號;其次，兩個D/A轉換電路模塊分別與電流比較電路（與A、B兩相繞組電流采集電路模塊相連）形成循環控制模式;最后，兩相混合式步進電機集中控制A相、B相繞組，經由H橋驅動模塊，接受來自細分控制集成電路模塊傳遞而來的控制信息，將反饋結果經由各自的電流采樣電路，傳遞回細分控制集成電路模塊，實現循環控制過程[2]。

基于上述控制方式，對步進電機脈沖信號的各項參數進行詢問式判定，最終項為“脈沖信號目標速度是否與當前速度維持一致”，如果給出的回答為“是”，則說明打印機起步壓縮度控制子程序的功能已經完全實現。此時，將示波器與打印機、步進電機控制系統相連接，顯示出的波形較為穩定，能夠維持規律性的正弦變化，且在最終打印出的結果顯微圖中，各字符的分布十分均勻。

3.??? 結語

步進電機細分驅動技術的核心原理在于，為步進電機的多相勵磁繞組輪流給予電流，使電機內部自帶的磁場合成方向出現定向變化，進而帶動電機旋轉。在單片機控制模式大行其道的年代，步進電機的細分驅動控制更加便利，應用于打印機控制時，能夠有效降低其起步壓縮度，從而提升打印精度。

參考文獻：

[1]?? 伍艷雄，黃勇，高林，等.步進電機細分驅動控制系統設計與實現[J].湖北民族學院學報（自然科學版），2019，37（4）：458-462.

[2]?? 朱承志.基于THB7128驅動步進電機應用電路設計[J].科技風，2020，（17）：119，124.

作者簡介：

陶新星（1986年7月），男，浙江嘉興人，本科，工程師，機械設計開發.