步進電動機高精度細分方法及其控制系統(tǒng)
葉韋韋  華南師范大學電信工程系 99 級
引       言
 
本論文題目來自對現(xiàn)有橢偏儀進行技術(shù)改進工作中的“用步進電機取代傳
統(tǒng)直流減速電機”的研究課題。橢圓偏振測量技術(shù)是一種測量薄膜厚度和研究其
表面特性的先進方法，具有靈敏度高、精度高、實時和無損樣品的優(yōu)點。在半導
體、光學材料、表面物理、化工、冶金、生物和醫(yī)學等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。
傳統(tǒng)的橢偏儀由于使用了直流電機，在定位過程中存在自動化水平低、操
作復雜、精度難以保證和成本高（因需要配高精度光電旋轉(zhuǎn)編碼器）等不足，為
提高橢偏儀的定位精度和自動化水平，研制出一種高精度自動定位系統(tǒng)無疑具有
十分重要的意義。
本系統(tǒng)采用步進電機代替直流電機，但現(xiàn)有步進電機的最小步距角還未能
達到本系統(tǒng)的要求，所以要在步進細分技術(shù)上作探討。利用步進電機的準確動作
和步進電機的細分技術(shù)，解決橢偏儀的角度與光強必須準確對應(yīng)關(guān)系的問題。其
中，當步進電動機的細分角度越小，越有利于提高步進電動機的角位、點位及連
續(xù)控制方面的定位精度，越有利于與計算機聯(lián)機，實現(xiàn)全自動化控制。同時，還
可以大大提高步進電機的分辨率，大大改善步進電動機在動態(tài)運轉(zhuǎn)時的特性。
由于工業(yè)技術(shù)的不斷進步，在自動化控制、精密機械加工、航空航天技術(shù)以
及所有要求高精度定位、自動記錄、自動瞄準等高新技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對步進電機的
細分要求也越來越高。
因此，多年來，國內(nèi)外的同行都在努力尋求步進電動機細分技術(shù)的最佳方
案及最高細分精度。本文所介紹的自動定位系統(tǒng)是在原橢偏儀系統(tǒng)的前提下，采
用步進電機計算機細分控制技術(shù)建立起來的。
 
 
 
一． 一．  步進電機的基本原理
步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,  廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系
統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域

都有應(yīng)用。
 
步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信
號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固
定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目
的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步
進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為 100%)的特點，廣泛
應(yīng)用于各種開環(huán)控制。
 
現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式
步進電機（HB）和單相式步進電機等。
     永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為 7.5 度  或 15 度；
反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為 1.5 度，但噪聲和振動
都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的
變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
     混合式步進電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角
一般為 1.8 度而五相步進角一般為 0.72 度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細分
驅(qū)動方案所選用的步進電機。
 
步進電機的一些基本參數(shù)：
電機固有步距角： 
     它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步
距角的值，如 86BYG250A 型電機給出的值為 0.9°/1.8°（表示半步工作時為 0.9°、整步工作
時為 1.8°），這個步距角可以稱之為‘電機固有步距角’，它不一定是電機實際工作時的真正
步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。
 
步進電機的相數(shù)：
是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)
不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為 0.9°/1.8°、三相的為 0.75°/1.5°、
五相的為 0.36°/0.72° 。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來
滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則‘相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)
動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。
 
保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING  TORQUE）：
      是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)
之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大
而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要
的參數(shù)之一。比如，當人們說 2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為
2N.m的步進電機。
 
DETENT  TORQUE：
是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT  TORQUE   在國內(nèi)
沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所
以它沒有 DETENT TORQUE。

 
     步進電機的一些特點：
1． 1．一般步進電機的精度為步進角的 3-5%，且不累積。
 
2． 2．步進電機外表允許的最高溫度。
步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此
電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁
點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90
度完全正常。
 
3． 3．步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。
當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動
勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。
 
4．步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。
步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的
脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的
情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動
頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。
 
步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字
化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
 
 
二． 二．  步進電機驅(qū)動器的原理
步進電機的運行要有一電子裝置進行驅(qū)動, 這種裝置就是步進電機驅(qū)動器, 它是把控
制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號,加以放大以驅(qū)動步進電機。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正
比，控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速；控制步進脈沖的個數(shù)，可以對電機精
確定位。
典型的步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)主要由三部分組成：
  1. 步進控制器，由單片機實現(xiàn)。
2．驅(qū)動器，把單片機輸出的脈沖加以放大，以驅(qū)動步進電機。
3．步進電機。
典型的步進電機驅(qū)動控制電路圖如下：
 

圖中單片機的 I/O口一位控制一相繞組，根據(jù)所選定的步進及控制方式可寫出相應(yīng)的控
制方式的數(shù)學模型，如三相單三拍、三相雙三拍、三相六拍。
現(xiàn)以三相六拍為例：
步序                控    制    位          C      B     A  控制模型
   D7  D6  D5  D4  D3  D2  D1  D0   
A  1  1  1  1  1  0  0  1  F9H
AB  1  1  1  1  1  0  1  1  FBH
B  1  1  1  1  1  0  1  0  FAH
BC  1  1  1  1  1  1  1  0  FEH
C  1  1  1  1  1  1  0  0  FCH
CA  1  1  1  1  1  1  0  1  FDH
以上為步進電機正轉(zhuǎn)時的控制順序及數(shù)學模型。因此，步進驅(qū)動控制器實際上就是按
上述的控制方式所規(guī)定的順序送脈沖序列，即可實現(xiàn)驅(qū)動步進電機三相六拍方式的轉(zhuǎn)動。輸
入順序脈沖序列的速率就是步進電機的速率。
 
這種典型的步進電機驅(qū)動控制方法及其電路，只能實現(xiàn)步進電機步距角為原來固定步
距角的一半。當要求實現(xiàn)步距角細分時，該方法就不能達到要求了，所以在這里就要引入步
進電機細分技術(shù)方案的探討。
 
 
一． 三．  細分技術(shù)方案探討
細分的基本概念為：步進電機通過細分驅(qū)動器的驅(qū)動，其步距角變小了。如驅(qū)動器工
作在 10 細分狀態(tài)時，其步距角只為‘電機固有步距角’的十分之一，也就是：當驅(qū)動器工作
在不細分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電機轉(zhuǎn)動 1.8°；而用細分驅(qū)動器工作
在 10 細分狀態(tài)時，電機只轉(zhuǎn)動了 0.18°。細分功能完全是由驅(qū)動器靠精確控制電機的相電流
所產(chǎn)生的，與電機無關(guān)。
 
步進電機的細分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請參考有關(guān)文獻），其主要目的是提
高電機的運轉(zhuǎn)精度，實現(xiàn)步進電機步距角的高精度細分。其次，細分技術(shù)的附帶功能是減弱
或消除步進電機的低頻振動，低頻振蕩是步進電機（尤其是反應(yīng)式電機）的固有特性，而細
分是消除它的唯一途徑，如果步進電機有時要在共振區(qū)工作（如走圓弧），選擇細分驅(qū)動器
是唯一的選擇。
 
驅(qū)動器細分后的主要優(yōu)點為：完全消除了電機的低頻振蕩；提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩，尤
其是對三相反應(yīng)式電機，其力矩比不細分時提高約 30-40%  ；提高了電機的分辨率，由于減
小了步距角、提高了步距的均勻度，‘提高電機的分辨率’是不言而喻的。
以上這些優(yōu)點，尤其是在性能上的優(yōu)點，并不是一個量的變化，而是質(zhì)的飛躍。
因此，在性能上的優(yōu)點是細分的真正優(yōu)點。由于細分驅(qū)動器要精確控制電機的相電流，
所以對驅(qū)動器要有相當高的技術(shù)要求。
 
目前，國內(nèi)外的步進電動機細分技術(shù)的最高微步距細分水平為 25.5″，而隨著科學和工
業(yè)技術(shù)發(fā)展，這一細分水平對于目前很多要求 5″以下的微步距角來說，仍遠遠不能滿足要
求。為什么長期以來步進電動機的細分技術(shù)停留在 25.5″的水平上而不能再細分？

 
對這一問題的研究結(jié)果表明，現(xiàn)有技術(shù)大多采用以下兩種細分方法：
方法一：
首次獲得較高分辨率的細分方法采用的是一種稱為：半拍步進的方法，即在對步進電動
機的步距角進行細分時，將步進電動機的控制位置數(shù)（以四相混合式步進電動機為例）的四
拍通電邏輯順序變?yōu)榘伺耐�電邏輯順序，從而將步進角降為原來的一半。以后在這種方法的
基礎(chǔ)上繼續(xù)改進為電流合成矢量 ih，使 ih 不是一下變動 45個電角度，而是一次變化一個較
小的角度 θf，這樣就將步距角由原來的 45°變?yōu)楹髞磔^小的微步距角 θf。當通電時，電流合
成矢量在 0～45°范圍內(nèi)，僅讓一相繞組的電流在變化，即只有 ia 在變化，ib 不變；在 45°～
90°范圍內(nèi)，僅讓 ib 一組繞組的電流變化，ia 不變。這種細分驅(qū)動方法的優(yōu)點是只需要改變
某一相的電流值，因此在硬件電路的設(shè)計上就比較容易實現(xiàn)。但這種方法卻帶來了一個不可
克服的缺陷，即電流合成矢量 ih 在旋轉(zhuǎn)過程中的幅值是處在不斷變化中，從而引起滯后角
的不斷變化。當細分數(shù)很大、微步距角非常小時，滯后角變化的差值△θ 已大于所要求細分
的微步距角，使得微步距角的繼續(xù)細分實際上失去了意義。采用現(xiàn)有技術(shù)細分方法的電流矢
量旋轉(zhuǎn)示意圖如圖 1。
現(xiàn)有技術(shù)的距角特性曲線中反映的滯后角△θ 對細分的影響如下圖：
(縱軸 T 表示轉(zhuǎn)距，橫軸 θ 表示轉(zhuǎn)子的位置轉(zhuǎn)角)
 
方法二：
利用單片機的脈沖寬度可調(diào)波（PWM）,使原來的一個矩形脈沖波分解成一個階梯波形，
若設(shè)原來階梯波角度為 θ，則按階梯波的步距角應(yīng)為 θ/n，其中 n 為階梯波的個數(shù)。其優(yōu)點
是在階梯波驅(qū)動步進電機的時候，雖然能通過單片機產(chǎn)生的 PWM 波很靈活地改變輸出脈沖
的高低和長短，從而實現(xiàn)步進電機的柔性控制和實現(xiàn)驅(qū)動大功率的步進電動機。但由于驅(qū)動
電路復雜和在定位的時候可能會產(chǎn)生振動，若其振動的角度超過了細分的最小角度，則不適
合高精密儀器的定位要求。
另外，步進電機按運行頻率工作時，啟動和停止都需要有一個緩慢的升頻和降頻的過程。
啟動時，可在啟動頻率之下啟動步進電機，然后逐漸上升到運行頻率；停止時，先將頻率逐
漸降低到啟動頻率以下才能停止。特別是負載轉(zhuǎn)動慣性比較大時，該現(xiàn)象很明顯以致嚴重地
影響到細分步進轉(zhuǎn)角的非線性和均勻旋轉(zhuǎn)的控制。
 
這就是現(xiàn)有細分技術(shù)方案不能達到超高分辨的根本原因。為解決這個問題，很多資料都
曾經(jīng)提出對細分電流進行修正的方法，但一直未見一個實用、統(tǒng)一的數(shù)學模型及可行的細分

方法問世。
 
 
四.   系統(tǒng)設(shè)計
1．細分電路的設(shè)計
針對上述兩種現(xiàn)有的細分技術(shù)狀況，本論文的目的在于：
1.  從理論和實踐的角度，建立一種新的步進電動機高精度細分方法和數(shù)學模型，以消除現(xiàn)
有技術(shù)方案中不可克服的滯后角△θ 值所引起的問題，使細分技術(shù)提高到更高的水平。
2.  在新原理方法指導下設(shè)計相應(yīng)的硬件控制電路。 
3.  設(shè)計細分控制函數(shù)修正的電路及其相應(yīng)的計算機自動控制程序。
 
      本電路的構(gòu)思及技術(shù)解決方案敘述如下：
為了實現(xiàn)高精度的定位，對步進電機步距進行高分辨細分的關(guān)鍵，也是本系統(tǒng)的難點
所在。從以上的分析可知，步進電動機的細分驅(qū)動電路都是通過電流合成矢量的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)
的。一般的細分方法只改變某一相的電流，該方法的缺陷是電流合成矢量的幅值是不斷變化
的，使步進電機的傳距亦隨之變化，從而引起滯后角的變化，最終就影響可細分數(shù)的增加，
即限制了分辨率的提高。
采用現(xiàn)有技術(shù)細分方法時的電流矢量旋轉(zhuǎn)示意圖（圖 1）：
 
為了能夠從根本上解決這個問題，消除現(xiàn)有技術(shù)中由于滯后角的變化引起的△θ 值大
于微步距角而導致不可繼續(xù)細分的問題，只有使電流合成矢量 ih 形成新的距角特性曲線，
為達到這一點，必須滿足一下兩個條件：
  1.  電流合成矢量旋轉(zhuǎn)時每次變化的角度要均勻；
  2.  電流合成矢量的大小或幅值要保持不變。
 
基于這個條件，即可建立“電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)”細分驅(qū)動方法。同時改變兩相電流
的大小，使電流合成矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)。這種方式可稱為步進電機的模擬運行，它是一種基
于交流同步電機概念的特殊細分技術(shù)，實質(zhì)是對運行于交流同步電機狀態(tài)的步進電機所受的
交流模擬信號在一個周期內(nèi)細分，即每個細分點對應(yīng)于一個交流值。當細分數(shù)相當大時，例
如本系統(tǒng)中將一個四分之一周期分成 4096 個點，電機繞組的電流信號就逼近模擬連續(xù)信號。
這種細分技術(shù)可以極大地提高步進電機的分辨率和運行穩(wěn)定性。

采用該方法時，電流合成矢量的旋轉(zhuǎn)示意圖如下：
圖中得 ia﹑ib﹑ih 分別表示 A,B 兩相電流矢量及兩相電流合成矢量。
 
本電路的細分方法其特征在于：
步驟一：建立一種可消除滯后角變化影響的步進電動機的細分控制函數(shù)數(shù)學模型：
                            ia＝im*cosX
                            ib=im*sinX
                     式中： ia－A 相繞組電流
                           ib－B 相繞組電流
      x－控制參數(shù)
im－電流幅值
        cosx－控制參數(shù)余弦值
        sinx－控制參數(shù)正弦值
 
步驟二：對運行于交流同步電機狀態(tài)的步進電機所受控的交流模擬信號在一個周期內(nèi)細分，
每個細分點對應(yīng)一個交流值。
 
步驟三：按照細分控制數(shù)學模型對 A﹑B 兩相繞組電流通過步距角細分控制電路實施控制，     
控制過程為：
由單片機送來的數(shù)字量電壓控制信號，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量的電壓信號，再送到
放大驅(qū)動電路上，經(jīng)放大后直接送到步進電動機的四相繞組，并在四相繞組上加上電壓負反
饋以保證電壓放大的穩(wěn)定性。四相繞組分別取得正﹑余弦變化電流和零電平，通過電流合成
矢量的驅(qū)動方式，驅(qū)動電動機的旋轉(zhuǎn)，這樣每輸入一個數(shù)字量，電機轉(zhuǎn)子就步進一個微步距
角θf。
 
步驟四：對影響細分控制精度的非線性，通過細分控制修正表和相應(yīng)的單片機修正程序?qū)��?BR>分正﹑余弦表實施修正。 
 
基于以上細分方法及其特征，本論文的步進電機控制系統(tǒng)是在原有典型的步進電機驅(qū)
動控制電路基礎(chǔ)上建立起來的，驅(qū)動控制電路利用 MCS51 系列單片機與 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器
（DAC8413）構(gòu)成高精度細分的開環(huán)自動定位系統(tǒng)，通過“電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)”細分驅(qū)動
方法實現(xiàn)高精度定位，大大提高步進電機的分辨率和改善步進電機在動態(tài)運轉(zhuǎn)時的特性。
使用上述原理建立的系統(tǒng)框圖如下：

 
 
 
2．D/A 芯片的選擇
D/A 轉(zhuǎn)換器把單片機的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換為模擬的電壓信號，經(jīng)放大后直接控制電機。所
以，D/A 芯片的選擇關(guān)系到細分技術(shù)的方案要求。
我選用的 D/A 芯片是 AD 公司的 DAC8413。它的概述為：
DAC8413 是在單片電路芯片上集成四個 12 位電壓輸出數(shù)模變換器（DAC）。每一 DAC 都
有一個雙重緩沖的輸入鎖存結(jié)構(gòu)，并有回讀功能。全部 DAC 都通過一個 12 位并行 I/O 口與
微處理發(fā)生讀寫操作。容許用戶同時將 DAC 輸出復位到零，而不考慮輸入鎖存器的內(nèi)容。任
一 DAC 和全部 DAC 都可以被置于透明模式，使輸出能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)立即響應(yīng)。
DAC8413 的特性：
1．＋5 伏到＋/－15 伏工作電壓
2．單極性或雙極性輸出
3．實際的電壓輸出
4．雙重緩沖的輸入鎖存結(jié)構(gòu)
5．復位到零或復位到中點的干預
6．高速總線存取時間
7．回讀功能
DAC8413 的應(yīng)用：
可用于自動測量設(shè)備，數(shù)字控制校準系統(tǒng)，控制伺服系統(tǒng)，過程控制系統(tǒng)。
 
使用 DAC8413 的原因：
1．利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器的 12位并行 I/O口，把四分之一的四相驅(qū)動電流周期即一個步距分
成 4096 級，也就是 2 的 12 次方，達到電壓高精度的細分要求。
2．DAC8413 四個完整的電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，能直接輸出 0-10V 的電壓，再經(jīng) 1.2 倍
放大后達到 0－12V 的電壓范圍，以控制電機的四相繞組，減少電路復雜性。
3．芯片能使用一組或兩組電壓供電，減少驅(qū)動電源的復雜性。使用外部參考電壓，用
高精度參考電壓保證輸出細分電壓的穩(wěn)定性。
4．“復位到零”干預，達到電機 0－12V 的電壓控制范圍，使電機在半步工作時能達到
0－1.8°的步進范圍。
5.利用雙重緩沖的輸入鎖存結(jié)構(gòu)和高速總線存取時間，四路 DAC 能分別寫入和輸出數(shù)
據(jù)，并能同時一次性寫出，達到高速并行輸入和并行輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換要求。
6.芯片性價比方面的考慮。

 
3．驅(qū)動電路的設(shè)計
    在驅(qū)動電路的設(shè)計中，把驅(qū)動電路分成四個部分：電源部分、單片機部分、D/A 轉(zhuǎn)換部
分、放大驅(qū)動部分。
    電源部分以數(shù)字電路和模擬電路分別供電的思想為綱，分為三組直流穩(wěn)壓電源：單片機
電源＋5V,電動機電源＋15V,D/A 及運放電源＋/－15V。
    在提供給 D/A 芯片外部參考電壓時，使用高精度的 10V參考電壓電路，以保證細分的電
壓輸出不出現(xiàn)漂移。
    單片機部分以單片機(W77E58)為核心，集數(shù)據(jù)傳輸、控制為一體，實現(xiàn)自動控制功能。
W77E58 是一個與 MCS-51系列兼容的 8－bit CMOS微處理。其指令運行速度卻是普通單片機
的 1.5-3 倍/機器周期，時鐘輸入可上到 40MHz。利用它輸出 12 位數(shù)字量控制信號。
    D/A 轉(zhuǎn)換部分用 DAC8413 芯片，把 12 位的數(shù)字量控制信號轉(zhuǎn)換為四路模擬電壓輸出。
    放大驅(qū)動部分用超低偏移電壓放大器 OP-07 作一級電壓放大，把 D/A輸出的 10V模擬電
壓信號放大 1.2 倍，然后再加上一級以 OP-07 為器件的跟隨器，達到步進電動機 0－12V 的
工作電壓要求。經(jīng)放大的電壓信號，直接送到功率場效應(yīng)晶體管 IRF540,以場效應(yīng)管作為驅(qū)
動管。并在每個線圈繞組上接上二極管抑制反向電動勢，保護有關(guān)元件。
步進電機的選用：24BYG4022－1  DC12V  0.25A
 
注：本驅(qū)動電路圖在附錄上。
 
4．驅(qū)動程序的設(shè)計
    步進電動機的半步工作時為 1.8°，驅(qū)動程序的設(shè)計目的是編寫一個 4096 級查正、余
弦表功能的程序，產(chǎn)生大小正比于控制函數(shù) X 的正、余弦函數(shù)的兩路電壓 Va、Vb 輸出，作
為電機 A、B 兩相繞組電流的控制電壓。并根據(jù)細分控制函數(shù)數(shù)學模型，編寫四相電流控制
驅(qū)動方式。
采用該數(shù)學模型時，四相電流一個周期的變化示意圖如下：
 
程序的設(shè)計在步進電動機的細分軟件技術(shù)上，實現(xiàn)了“電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)”的細分
方法，從原理上解決了實現(xiàn)了高精度細分方法的技術(shù)問題。

對影響細分控制精度的非線性，通過細分控制修正表和相應(yīng)的單片機修正程序?qū)�細分�?BR>﹑余弦表實施修正。
驅(qū)動程序中的正弦表為 4096 級，而步進角度一步要求為 128 級，上述程序中的查表步
距為固定值，但實測中的實驗數(shù)據(jù)和它的曲線表明，仍然未能達到步進角度線性變化的要求。
針對這個問題，提出了在較高精度的數(shù)表中查表時，使用非固定查表步距代替原來的固定步
距，從而達到修正細分控制精度非線性的問題。
 
注：本驅(qū)動程序和程序框圖在附錄上。
 
 
五．檢驗方案設(shè)計
由于橢偏儀的要求是步進電動機在一個步距上進行細分，也就是半步角度 1.8°細分
128 份等于 0.0140625°，以此設(shè)計了一套檢查步進角度細分情況的系統(tǒng)。
讓步進電動機帶上一個半徑為 150mm 長的轉(zhuǎn)臂，并在轉(zhuǎn)臂上用頭發(fā)絲作刻度。然后，
用分辨率為 0.01mm 的顯微鏡觀察轉(zhuǎn)臂末端上刻度的變化。
注：檢驗裝置平面圖在附錄上。
因為，每次步進轉(zhuǎn)過的角度距離為：
SIN(1.8°/128)*150mm=0.03682mm；
約等于步進轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)過的弧長：
2*π*150/200/128=0.03680mm；
所以，能用分辨率為 0.01mm 的顯微鏡觀察轉(zhuǎn)臂步進角度刻度的變化，而且還可以在半
步范圍內(nèi)用轉(zhuǎn)過的角度距離近似代替轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)過的弧長。
檢測過程中，讓步進電機每次只走一步，然后微調(diào)顯微鏡的細調(diào)刻度，用顯微鏡中十
字刻度的垂直刻度對準轉(zhuǎn)臂刻度的右側(cè)，記錄每次細調(diào)刻度的變化，就能得出反映步進電動
機細分步進的角度變化數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)就能繪制出步進角度變化的曲線圖。
另外，還通過步進電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)電機重復性的檢驗，以及通過電機定點偏移的測
量檢驗電路的穩(wěn)定性問題，從而分析電路能否達到分辨率的要求。
根據(jù)理論推測試驗曲線和理想曲線如下：
 
六．實驗結(jié)果 
根據(jù)以上檢驗系統(tǒng)，每次得出一組 128 個步進距離的長度數(shù)據(jù)，以及整理實驗數(shù)據(jù)繪
制出的步進電動機微步角度和距離關(guān)系曲線。

 
注：實驗數(shù)據(jù)和關(guān)系曲線圖在附錄上。
 
 
七． 七．  結(jié)論
本步進電動機高精度細分方法及其控制系統(tǒng)，具有以下突出特點：
1. 在步進電動機細分技術(shù)上，設(shè)計了“電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)”方法，從原理上解決
了實現(xiàn)高精度細分的技術(shù)難題，達到了微步距角 1.582″的國際領(lǐng)先水平。
     2．設(shè)計了細分控制函數(shù)修正電路，及單片機修正程序，克服了步進電動機非線性的影
響，保證了高精度細分的實現(xiàn)。
3．細分控制電路中，D/A 轉(zhuǎn)換器采用了高精度參考電壓源，驅(qū)動電路的電壓負反饋，
確保了高精度細分的實現(xiàn)。
4．還可以編寫一個計算機控制程序通過 RS232 接口，向單片機發(fā)送步進角度數(shù)據(jù)、控
制數(shù)據(jù)和回讀采集數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)步進電機的計算機實時控制功能。具體程序由于時間的限制，
該程序仍在考慮中。
本電路的實施，使步進電動機的細分技術(shù)提高到了超高精度細分的水平，為自動化控制、
精瞄機床加工、高精度定位、自動測量、自動瞄準等眾多的高新技術(shù)領(lǐng)域提供了一流水平的
技術(shù)和產(chǎn)品。
 
 
八． 八．  結(jié)束語
在整個畢業(yè)論文設(shè)計過程中，我主要圍繞著如何在步進電機最小步進角的基礎(chǔ)上實現(xiàn)
步進細分。從方案的制定到軟件的編寫我都經(jīng)過反復的思考，并且查看了很多的參考書籍和
參考資料，以及得到了指導老師的從旁指導和大力支持。
在本次畢業(yè)設(shè)計中，我進一步加強了自己的動手能力和運用專業(yè)知識的能力，從中學
習到如何去思考和解決問題，以及如何靈活地改變方法去實現(xiàn)設(shè)計方案；特別是深刻體會到
的是軟件和硬件結(jié)合的重要性，以及兩者的聯(lián)系和配合作用。
通過畢業(yè)設(shè)計，我既鞏固了專業(yè)知識，又學到了在設(shè)計高精密儀器過程中的許多流程
和該注意的事項，增強了產(chǎn)品開發(fā)的意識，是我在大學時期很好的一次實踐和鍛煉機會。
 
附錄
[1]  驅(qū)動電路圖
[2]  驅(qū)動程序和程序框圖
[3]  檢驗裝置平面圖
[4] [4]     實驗數(shù)據(jù)和關(guān)系曲線圖
 
 
參考文獻
[1]   呂國雄、鄭永駒編著   《MCS－51 系列單片機微型計算機原理與應(yīng)用基礎(chǔ)教程》  
廣東高等教育出版社 1994.12

[2]  王建校等編著  《51 系列及 C51 程序設(shè)計》  科學出版社  2002.4
[3]  雨宮好文  主編  松井信行  著  《控制用電機入門》  科學出版社  2000.1
[4]  高  鵬等編著   《Protel99  入門與提高》  人民郵電出版社  2000.2
[5]  清源計算機工作室編著   《Protel 99 原理圖與 PCB 設(shè)計》  機械工業(yè)出版社 2000
[6]   梁軍等編   《單片機原理及應(yīng)用》東南大學出版社  2000
[7]   何立民編著  《單片機高級教程》   北京航空航天大學出版社  2000
 
致      謝
感謝物理系電信工程系的鄭永駒老師、楊懷老師、黃佐華老師和飛馳公司鄧宏蛟同志
的悉心指導和大力協(xié)助，也感謝物理系電信工程系在本科學習中給予我的良好教育和優(yōu)越的
學習環(huán)境。