1 系统原理
    对于一个步进电机驱动系统来说，应包括信号发生、信号分配、功率放大等几个模块，下面对其逐一进行分
析介绍，驱动系统原理方框图见图

1。

 

1.1 脉冲信号的发生
    电机转速是由给入的驱动脉冲信号频率决定的。在本驱动系统当中，脉冲信号由单片机 C8051F012 产生。

C8051F012 是 Cygnal 公司生产的
高速

MCU，内部集成了多个外设，其中共有 4 个 16 位定时器。在本脉冲信号产生模块中，使用了定时器 0 及定时

器

1。其中，定时器 0

 

用于产生控制转速的脉冲信号，其翻转频率设为

Vref。这样，电机的基本转动频率定为

f0 。

1.2 驱动信号的分配

    一般情况下，步进电机根据环形分配器决定分配方式，各绕组的电流轮流切换，从而使步进电机的转子步进
旋转。电机工作方式只有两种，即整步工作和半步工作，而步距角已由电机的结构确定。由于在本方案中，对于
电机步距角要求较高，基本步距已不能满足其要求，故需要对电机进行细分驱动。即在每次输入脉冲切换时，不
是将绕组电流全部通入或关断，只改变相应绕组中的额定电流的一部分，则转子相应的每步转动原有步距角的一
部分。本方案中，驱动器工作在

20 细分状态，其步距角只为电机固有步距角的 1/20。具体以 42BYGH023W 为

例，固定步距角为

1.8°。；而 20 细分状态后，电机每次只转动 0.09°。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电

机的相电流所产生的，与电机无关。
    在本驱动系统中，步进电机所需的细分脉冲由定时器 1 产生，脉冲频率为 f1，且有 f1=20f0。当信号步进
电机采用半步行走模式时，转动精度可达

0.045°。

1.3 细分斩波恒流驱动的软、硬件实现
    在步进电机驱动系统中，最重要的就是电流驱动及功率放大部分。本系统中，该部分选用的是 L297+L298
构架，适用于对双极性两相步进电机或单极性四相步进电机的控制。

L297 主要用来接收 C8051F012 发出的信号

脉冲，从而产生对功率级电路控制信号。

L298 为双 H 桥驱动器，可用来驱动电压为 46V、每相电流为 2.5 A 以

下的步进电机。若负载需更大电流驱动，可使用

L297+双 L6203 组合。

    L297 的主要功能是译码器，它根据接受驱动脉冲信号产生所需的相序。为了获得电动机良好的速度和转矩
特性，相序信号是通过两个

PWM 斩波器对电动机控制，每个斩波器用于双极性步进电动机的其中一相或用于单极

性步进电机的每对绕组。
    以往驱动步进电机时，加到每相线圈上的是恒定电流，这造成了一定的损失。而在 L297 芯片内部，集成了
斩波脉宽调制电路，即每个斩波器包含有一个比较器、一个触发器和一个外部检测电阻，如图

2 所示。晶片内部

的通用振荡器为两斩波器提供斩波频率脉冲。外部时钟脉冲输入时，电机绕组相电流上升，当采样电阻

Rs 电压上

升到基准电压

Vref 时，比较器翻转，使触发器复位，功率晶体管关断，电流下降，等待下一个振荡脉冲的到来。

故绕组相电流峰值由

Vref 整定。这样，根据负载的不同，只要调节 Vref 的大小，就可以改变线圈平均电流的

大小。
 
    由于电源电压并不是一直向绕组供电，而只是一个个的窄脉冲，总的输入能量是各脉冲时间的电压与电流乘
积的积分，取自电源的能量大幅度下降，这样驱动系统就具有很高的效率，且降低了发热量。
    上面讲了细分斩波恒流驱动的硬件原理，而其软件实现过程是这样的。每过一个细分信号周期，单片机输出
到

L297 端口的 Vref 顺次发生变化，使通过线圈的电流逐渐增大或减少，而不是一次通入或切断。具体方法如

下：由于是

20 细分，则先按正弦曲线公式，计算出各点的电压值(Vref =Vin ×sin(nπ/40)(n=0，1，

…… ，19)。该值经处理后存入到 C8051F012 的 FLASHROM 中去，每有一个细分脉冲发生时，程序调用
FLASHROM 中的数据，并将其通过 D/A 转换成模拟电压后，经运放放大后，作为的控制电压。而在 C8051F012
内部集成了两个

12 位高速 D/A 转化器，省去了外接 D/A 的不便。但是，由于 Vcc 的输入范围为 0-5 V，而 DA

最高输出仅为

2.4 V，故而 DA 转化出的信号尚需运算放大器 LM324 的进一步放大。

 
    从图 3 的电流波形图可知，细分后的输出电流变化相当平稳，稳定并提高了电机的输出转矩。细分较不细分，
输出转矩对各种电机都有不同程度的提升。而且，细分减小了步距角，大大提高了步距精度，从而提高了电机的
分辨率。特别需要指出的是，细分后完全消除了电机的低频振荡。
2 步进电机加减速控制
    从理论上说，每给电机驱动器一个脉冲(CP)，步进电机就旋转一个步距角(细分时为一个细分步距角)，但
是实际上，如果脉冲

CP 信号变化太快，步进电机由于惯性将跟随不上电信号的变化，这时会产生堵转和失步现象，

所以步进电机在启动时，必须有升速过程，在停止时必须有降速过程。一般来说升速和降速规律相同，这里以升
速为例介绍，

(见图 4)

 

    升速过程由突跳频率加升速曲线组成(降速过程反之)。突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲
启动频率，此频率不可太大，否则也会产生堵转和失步。升降速曲线一般为指数曲线或经过修正的指数曲线，当