引言

步進電動機驅動方式主要分為恒壓驅動、恒流驅動、細分驅動等，其中恒壓驅動是成本最低、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，從而實現了低成本下的高頻力矩提升、低頻功耗下降的優良效果。

硬件設計

系統硬件電路主要由單片機電路、可控電源電路和步進電機驅動電路構成。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動電路，單片機根據控制策略決定驅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是一個降壓型開關穩壓源，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 為二極管結壓降，VREF 為參考電壓，Di 為單片機I/O口數字量輸出。電路中采用緩沖器是為了提高高電平輸出的穩定性和電流驅動能力，權電阻網絡在單片機I/O口數字量控制下向VREF 節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生反相電流。本設計采用4 位I/O控制信號，形成了4位8級可調電源。

四相步進電機驅動電路

圖2所示為四相單極性步進電機驅動電路，主要由MOSFET、續流二極管、電阻組成。單片機I/O口輸出信號MA、MB、MC、MD為高電平時，相應的開關管MOSFET導通，Vout向對應的電機繞組供電。電路中為了減小驅動元件的壓降，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成電機繞組的續流回路，避免了MOSFET器件在換相時由于瞬間電壓過高而擊穿。

圖2 四項步進電機驅動電路

控制方案及軟件設計

為了實現高頻力矩提升、低頻功耗下降的目的，設計中采用了高低壓驅動和驅動電壓根據頻率分段而調整相結合的控制策略。