摘要：單片機控製步進電機易出現失步、低頻振動及易受外界電磁幹擾而影響步進電機的正常工
作，從步進電機本身的特性和控製驅動係統等方麵分析了問題出現的原因，提出了電流矢量恒幅均勻
旋轉微步驅動的解決方案，並在舞台燈光控製中實現了步進電機的穩定運行&
關鍵詞：步進電機

；失步；低頻振動
；燈光

　步進電機是一種輸入與輸出數字脈衝相對應的增量運動執行元件，具有快速啟動
、停止、正
反轉及變速、無累積誤差的精確步進以及可以用數字量直接控製等優點，且其步距角和轉速受工
作環境的影響較小

，因此在工業控製過程及儀表中得到廣泛應用&隨著係統數字化，工業控製精
度要求的提高，對過程控製的精度、實時性、穩定性也提出了更高的要求&步進電機運行時存在低
頻振動、噪聲及可能存在的失步等不僅影響了步進電機的定位精度
，同時也影響其平穩運行，從
而限製了步進電機的應用範圍&針對單片機控製步進電機造成步進電機工作時出現失步
、振動以
及產生噪聲和電磁幹擾的原因，提出了單片機控製係統中確保步進電機平穩正確運行的解決方
案，並將此解決方案成功用於燈光的控製係統。

１ 步進電機的失步分析ww
　　由於步進電機及所帶負載存在慣性，在實際變速運行中
，有時出現停轉現象
，即步進電機的
響(xiang)應(ying)速(su)度(du)跟(gen)不(bu)上(shang)控(kong)製(zhi)脈(mai)衝(chong)速(su)度(du)

，出(chu)現(xian)失(shi)步(bu)。步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)運(yun)行(xing)時(shi)失(shi)步(bu)的(de)積(ji)累(lei)不(bu)僅(jin)影(ying)響(xiang)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)重(zhong)複(fu)定(ding)位(wei)的(de)進(jin)度(du)，也(ye)容(rong)易(yi)造(zao)成(cheng)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)偏(pian)離(li)正(zheng)確(que)的(de)速(su)度(du)運(yun)行(xing)曲(qu)線(xian)&步進電機的運行一般要經過升頻、恒速、降(jiang)頻(pin)等(deng)過(guo)程(cheng)，當(dang)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)在(zai)加(jia)速(su)和(he)減(jian)速(su)過(guo)程(cheng)中(zhong)，如(ru)果(guo)其(qi)上(shang)升(sheng)和(he)下(xia)降(jiang)控(kong)製(zhi)頻(pin)率(lv)大(da)於(yu)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)啟(qi)動(dong)頻(pin)率(lv)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)就(jiu)會(hui)失(shi)步(bu)，從(cong)而(er)引(yin)起(qi)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)瞬(shun)間(jian)的(de)停(ting)轉(zhuan)，對(dui)係(xi)統(tong)的(de)工(gong)作(zuo)產(chan)生(sheng)較(jiao)大(da)的(de)影(ying)響(xiang)!因此在步進電機的變速運行中，正確選擇步進電機的控製頻率是十分重要的!當步進電機處於恒速運行時，控製脈衝頻率超過步進電機的運行頻率同樣會造成步進電機失步!www.sawano.com.cn
　　步進電機的步距角不均勻也容易引起步進電機的振動和失步［"］!理論上驅動電路若能確保繞組電流的準確性，也就保證了定子電流矢量的幅值與空間位置的穩定!而實際情況是
，氣隙磁場是定子磁勢與轉子磁鋼通過定子
、轉子鐵芯共同感應的結果
，情況要複雜的多!由於齒槽情況
、鐵芯材料、bianjietiaojiandengyinsudecunzaihuidaozhiqixicichangpianliyuqiqingkuang，zhejiangshiqixicichangbunenggensuidianliushiliangjunyunxuanzhuan
，yejiunanyibaochishijifuzhigenlilunjisuandewanquanduiying，congeryinqibujujiaodebujunyun!同時由於負載力矩也在隨時變化，電機的失調角也隨之變化，這在開環係統中是無法糾正的!另外微步距角的不均勻性和失調角隨負載變動也極大地降低了開環係統的線性定位精度［#］!在實現步進電機控製係統的軟件係統中，工作時序
和工作狀態與步進電機的實際情況不一致將會導致步進電機的失步和振動!另外在步進電機的啟動過程中，如果啟動力矩不夠也會引起步進電機失步甚至停轉!

２　步進電機的振動噪聲和單片機
　　控(kong)製(zhi)驅(qu)動(dong)係(xi)統(tong)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)分(fen)析(xi)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)運(yun)行(xing)時(shi)的(de)不(bu)穩(wen)定(ding)主(zhu)要(yao)受(shou)兩(liang)個(ge)方(fang)麵(mian)的(de)影(ying)響(xiang)，一(yi)是(shi)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)本(ben)身(shen)的(de)機(ji)械(xie)特(te)性(xing)所(suo)致(zhi)，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)是(shi)控(kong)製(zhi)驅(qu)動(dong)係(xi)統(tong)本(ben)身(shen)受(shou)外(wai)界(jie)環(huan)境(jing)因(yin)素(su)和(he)程(cheng)序(xu)結(jie)構(gou)等(deng)方(fang)麵(mian)產(chan)生(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)!步進電機運行時存在的低頻振動即轉子的振蕩現象，會引起齒輪碰撞，產生噪聲!這種噪聲是步進電機的固有特性造成的；同時步進電機還存在諧振點，當轉子轉速達到其機械諧振點時就會產生諧振和噪聲
；另
外步進電機在高頻啟動和停止時也會因為強烈的衝擊產生振動和噪聲!
　　電磁幹擾將有可能使單片機控製係統工作發生紊亂，使單片機產生誤動作甚至死機等
，嚴重影響步進電機運行的穩定性!單片機控製步進電機的驅動係統產生電磁幹擾的幹擾源主要來自外部電源
、內部電源、印製板自製幹擾

、空中周圍電磁場幹擾
、外部幹擾通過Ｉ／Ｏ口輸入等!幹擾信號可以通過公共導線

、電容
、相鄰導線的互感以及空間輻射等途徑從幹擾源耦合到敏感元件上［&］!這裏隻對幾種在驅動係統中影響比較突出的幾個方麵加以分析!
（１）供電幹擾!工作時，交流電網負載突變時產生幅值較大的瞬變電壓波經由直流穩壓電源進入電子控製回路，從而影響單片機供電電源的穩定!www.sawano.com.cn
（２）單dan片pian機ji與yu步bu進jin電dian機ji驅qu動dong回hui路lu之zhi間jian
，驅qu動dong回hui路lu產chan生sheng的de幹gan擾rao信xin號hao通tong過guo線xian路lu竄cuan入ru單dan片pian機ji
，使shi單dan片pian機ji產chan生sheng誤wu動dong作zuo
，從cong而er導dao致zhi步bu進jin電dian機ji出chu現xian多duo步bu或huo失shi步bu現xian象xiang!
（３）步進電機的電樞繞組通斷頻繁，當通電時，會產生較大的電壓電流的梯度變化，導致磁場耦合
，形成嚴重的電磁幹擾!當dang電dian樞shu繞rao組zu斷duan電dian時shi，線xian圈quan中zhong的de磁ci場chang突tu然ran消xiao失shi會hui產chan生sheng很hen高gao的de瞬shun變bian電dian壓ya竄cuan入ru控kong製zhi回hui路lu，對dui係xi統tong中zhong其qi它ta電dian子zi裝zhuang置zhi產chan生sheng相xiang當dang大da的de電dian能neng衝chong擊ji甚shen至zhi損sun壞huai元yuan件jian!
（４）布線不合理!同一回路或不同回路間布線不合理時容易產生感生電動勢，形成電磁幹擾!

３　確保步進電機穩定運行的解決方案
　　從前麵的分析知道

，容易引起失步和振動的共www.sawano.com.cn同(tong)因(yin)素(su)是(shi)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)低(di)頻(pin)振(zhen)動(dong)，為(wei)了(le)使(shi)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)平(ping)滑(hua)運(yun)轉(zhuan)，可(ke)在(zai)電(dian)機(ji)軸(zhou)上(shang)加(jia)磁(ci)性(xing)阻(zu)尼(ni)器(qi)及(ji)采(cai)用(yong)尼(ni)龍(long)齒(chi)輪(lun)等(deng)可(ke)以(yi)在(zai)較(jiao)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)改(gai)善(shan)電(dian)機(ji)的(de)振(zhen)動(dong)，另(ling)外(wai)減(jian)小(xiao)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)步(bu)距(ju)角(jiao)也(ye)可(ke)使(shi)得(de)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)運(yun)行(xing)更(geng)加(jia)穩(wen)定(ding)平(ping)滑(hua)!減小步距角一是可以選擇小步距角的步進電機來實現，但由於受工藝和生產成本限製，步距角不可能足夠小；另一種方法是改變電機繞組中的電流狀態數，即采用微步驅動技術來實現!bujindianjideweibuqudongjishushizhishangshiyizhongdianzizunijishu，qizhuyaomudeshijianruobujindianjidedipinzhendong

，quebaobujindianjidepingwenyunxing，tongshitigaobujindianjideyunzhuanjingdu!在綜合前麵的分析的基礎上主要從以下四個方麵提出了確保步進電機穩定運行的解決方案!
3.1微步電流曲線
　　在大量微步驅動係統中，結合步距角的不均勻性對步進電機失步的影響，采用電流矢量恒幅均勻旋轉的細分方法是比較理想的!以兩相混合式步進電機為例
，通過對電機!
、" 兩相繞組加上正弦電流來實現定子電流合成矢量的“恒幅、均勻”
，微步進旋轉的兩相繞組電流的數學模型表示為：
[attachment=7064]
　　微步參數可以預先計算出來，以表格的形式存儲在ＥＰＲＯＭ中，進行查表獲得參數值
，通過微步的方式來實現頻率的改變

，因為不需要經過複雜的計算，就不會過多占用ＣＰＵ的時間，同時這種方式還可以擬合出更接近理想變化曲線的頻率變化來實現步進電機的加速和減速的平穩控製!另外采用這種細分方法也在很大程度上解決了微步距角的不均勻性問題，這將廣泛用於精度要求不是特別高的步進電機的控製係統中!
[attachment=7065]
3.2 驅動線路的選擇www.sawano.com.cn
　　避免失步和減小振動的另一措施在於驅動係統的設計!步進電機的驅動方式有很多種，包括單
、雙電壓驅動，高低電壓驅動，0橋驅動，升頻升壓驅動

、斬波恒流驅動和脈寬調製（ＰＷＭ）恒流驅動等!由於微步驅動需要控製相繞組電流的大小
，因此隻有單電壓串電阻驅動、斬波恒流驅動以及ＰＷＭ恒流驅動的適合微步驅動控製!單(dan)電(dian)壓(ya)串(chuan)電(dian)阻(zu)驅(qu)動(dong)方(fang)式(shi)由(you)於(yu)串(chuan)接(jie)的(de)電(dian)阻(zu)導(dao)致(zhi)電(dian)路(lu)時(shi)間(jian)常(chang)數(shu)降(jiang)低(di)，截(jie)止(zhi)時(shi)續(xu)回(hui)流(liu)時(shi)間(jian)常(chang)數(shu)大(da)幅(fu)度(du)下(xia)降(jiang)
，從(cong)而(er)加(jia)速(su)電(dian)流(liu)泄(xie)放(fang)，有(you)利(li)於(yu)提(ti)高(gao)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)高(gao)頻(pin)響(xiang)應(ying)，同(tong)時(shi)也(ye)因(yin)為(wei)回(hui)路(lu)增(zeng)加(jia)的(de)阻(zu)尼(ni)利(li)於(yu)減(jian)少(shao)電(dian)機(ji)的(de)共(gong)振(zhen)，但(dan)其(qi)主(zhu)要(yao)缺(que)點(dian)是(shi)損(sun)耗(hao)大(da)
，效(xiao)率(lv)低(di)
；采(cai)用(yong)斬(zhan)波(bo)恒(heng)流(liu)驅(qu)動(dong)時(shi)，驅(qu)動(dong)電(dian)壓(ya)較(jiao)高(gao)，電(dian)流(liu)上(shang)升(sheng)很(hen)快(kuai)，當(dang)達(da)到(dao)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)數(shu)值(zhi)時(shi)
，由(you)於(yu)取(qu)樣(yang)電(dian)阻(zu)反(fan)饋(kui)控(kong)製(zhi)作(zuo)用(yong)，繞(rao)組(zu)電(dian)流(liu)可(ke)以(yi)恒(heng)定(ding)在(zai)確(que)定(ding)的(de)數(shu)值(zhi)上(shang)
，而(er)且(qie)不(bu)隨(sui)電(dian)機(ji)的(de)轉(zhuan)速(su)而(er)變(bian)化(hua)，從(cong)而(er)保(bao)證(zheng)在(zai)很(hen)大(da)的(de)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)內(nei)電(dian)機(ji)都(dou)能(neng)輸(shu)出(chu)恒(heng)定(ding)的(de)轉(zhuan)矩(ju)，同(tong)時(shi)采(cai)用(yong)斬(zhan)波(bo)恒(heng)流(liu)驅(qu)動(dong)的(de)另(ling)一(yi)優(you)點(dian)是(shi)減(jian)少(shao)了(le)電(dian)機(ji)共(gong)振(zhen)現(xian)象(xiang)的(de)發(fa)生(sheng)!由於電機共振的基本原因是能量過剩，而斬波恒流驅動輸入的能量是自動隨著繞組電流調節!能量過剩時，續流時間延長，而供電時間減小
，因此可減小能量的積聚ＰＷＭ恒流驅動用數字脈衝直接控製電流波形的占空比
，比斬波恒流驅動的電路更簡單
，也更適合於單片機直接采用數字信號控製［2，3］!因此選擇采用ＰＷＭ恒流驅動的驅動器!
3.3 加速曲線的選擇
　　在控製步進電機的失步方麵，步進電機的加速曲線也非常重要!加速的規律一般有兩種，一是按照直線規律升速，二是按指數規律升速!按直線規律升速時加速度為恒定

，因此要求步進電機產生的轉矩為恒值!從電機本身的特性來看，在轉速不是很高的範圍內，輸出的轉矩可基本認為恒定!danshijishangdianjizhuansushenggaoshi，youyufandiandongshiheraozudiangandezuoyong
，raozudianliujiangzhujianjianshao，yincishuchuzhuanjujiangyousuoxiajiang，anzhishuguilvshengsu，jiasuduzhujianxiajiang，jiejindianjishuchuzhuanjusuizhuansubianhuadeguilv!微機在控製步進電機的加速過程中，可用離散辦法來逼近理想的升降曲線!
3.4 減輕電磁幹擾的措施
　　針對單片機對步進電機的控製係統電磁幹擾方麵主要采取以下一些措施：在單片機和步進電機驅動回路中加入光電隔離電路可以有效抑製電磁幹擾，提高係統的穩定性；在驅動回路中降低-,45)6開關的導通速度，這樣可以減小產生電磁幹擾的強度，也可添加+.吸收回路，抑製浪湧的產生；合理選擇主變壓器的鐵芯結構
，降低漏磁強度；lingwaiyigebijiaozhongyaodefangmianjiushidianzixianludehelibuju，kongzhiganraoyuanyubeiganraoyuanjiandejulihexiangduifangxiang，shiminganyuanjianyuanliganraoyuan，butongyongtudelianjiexianyaofenkai，buzoupingxingxian，yigehuiludebuxianzaizhongjianweizhixianghujiaochaqiehuiluzuoyouliangbandemianjiyaodazhixiangdeng，jianshaoganshengdianshi
，daoxianyixuanyong
屏蔽線以及合理的接地設計等!采取這些措施將有效地減少電磁幹擾對單片機控製係統的影響!

４　基於解決方案在舞台燈光控製中的應用