步进电机是一种运用广泛的操控电机，其特征是不运用方位反应回路就能进行速度操控及定位操控，即所谓的电机开环操控。相对于伺服电机，步进电机有着本钱低价，操控简略等长处，尤其是两相混合式步进电机，在工业运动操控体系中有着广泛的运用。可是，传统的驱动办法，比方单电压驱动、凹凸电压驱动、斩波恒流驱动等等，尽管现已运用十分老练，可是只限于低速运转，而且细分度一般约束在1/2步距，无法很好消除低频振动，以及定位精度差等缺陷。细分驱动的呈现很好地弥补了这一缺陷。
常见的细分操控器一般由MCU、专用逻辑驱动芯片以及功率驱动模块组成，这样的驱动器尽管能满意多细分驱动，但因为细分数量和作用会遭到逻辑驱动芯片的影响，而且无法调整细分数和限流值、然后形成体系调试困难、矩频特性差等缺陷。
本文运用ST公司的32位ARM单片机，加上MOSFET驱动模块及电流传感模块，省去了逻辑驱动芯片。电机电流选用单片机内部AD采样，操控逻辑算法直接由单片机软件完结，MOSFET依照外部输入的脉冲速度及内部的时序来运转，然后大大简化了运用电路，进步了电路的通用性和驱动功用。
1 意法半导体STM32F103RB单片机简述
STM32F103RB选用ARM公司最新的Cortex-M3内核，具有运转速度高、处理才能强、外设接口丰厚等特色。因为其低价的价格和很强的操控、运算功用，被广泛运用于电机操控。其详细功用指标如下：1)作业频率：最高72 MHz;作业温度规模：-40～+85℃;宽电压供电：2.0～3.6 V;2)128 k字节的闪存存储器和16 k的SRAM;3)12位16通道AD转化器具有双采样和坚持功用，转化时刻最短1μs。4)3个16位通用定时器，每个定时器有多达4个通道，用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲输出;1个16位带死区操控盒紧迫刹车，用于电机操控的PWM高档操控定时器。
2 细分驱动原理
一般两相步进电机驱动分为单极型和双极性驱动两种，单极型驱动适用于6线制电机，这样的驱动办法等于将两相电机转变为四相电机，从表面上看步距角残缺减小了，实则是以献身电机的拖动转矩换来的，这样电机的带负载才能就会大大下降。而双极型驱动则首要针对两相四线(或许八线制)电机，一般机械步距角为50齿1.8°(也可为100齿0.9°价格较贵)，故细分驱动技能首要是通过对步进电机的相电流进行阶梯化操控，使电机的以更小的单位步距角运转，然后减小步长和低频振动。
细分驱动的思维是把本来简略的对转子电流的通断进程改动为逐渐的改动各相绕组的电流巨细和方向，使电机内部的空间组成磁场逐渐改动，这样就能把本来的一个步距角的通电办法改动成为跟从电流的阶梯波，变成多步。详细的核算办法如下：
转矩T在一般情况下可表示为：
T=KT·(-Iasinθ+Ibcosθ) (1)
式子中KT在抱负状况下的份额常数，θ为转子的电视点方位。
假如两相步进电机的矩角特性是正弦波，则给绕组通入如下电流：
Ia=Im·cosβ
Ib=Im·sinβ (2)
β为电机期望定位的电视点。
将式(2)代入式(1)，则
T=KT·Im·sin(β-θ) (3)
然后可见，两相混合式步进电机的细分便是操控两相绕组中的电流巨细。抱负状况下，电机内部的磁场为圆形空间旋转磁场，使步进电机依照沟通同步电机的办法旋转。而AB相的抱负电流为正弦波，而一般情况下通过阶梯波来模仿正弦波，然后到达恒转矩幅值的操控作用。而转矩的巨细由组成磁场的矢量来决议，即相邻两个组成磁场的夹角为细分步距角。
每逢β改变一度，则步进电机走过1/360的电视点，例如一般的8细分操控，则β的步长为π/16。所以为了完结对两相混合式步进电机的恒转矩细分操控，就需要在电机的两相绕组中通以按正弦规则改变并互差90°相位的的两相电流，阶梯越细微，越接近于正弦波，步距角也越小，细分作用越好。
3 体系硬件规划
根据STM32F103RB驱动体系的硬件部分首要由信号输入端、电源输入端、电源模块、MOSFET驱动模块、H桥模块和采样扩大模块组成。整体硬件图如图3所示。
3.1 输入信号
在硬件规划中，需要从外部输入3种信号：Enable使能信号、Dir电机转向信号以及Frequency速度脉冲信号。Enable信号为使能信号，为避免电机在中止时，定子绕组依然通电形成的电机发热而设置的电机转子断电信号。Dir信号操控电机的转向;而Frequency信号为外部操控器材宣布的方波脉冲信号，此信号的频率将决议电机的转速，3个操控信号均由光耦与内部阻隔。
驱动器上电前需通过拨码开关设置细分数和限流值，现在细分最多支撑16细分，限流值一般为电机绕组可接受的最大电流的1.2倍左右，可以设置6档限流值。驱动器最大可接受4 A的电流。
3.2 体系电源
驱动体系的电源由一个外部输入的24～48V的直流电源输入接线端，然后通过BUCK降压芯片至5 V为内部光耦、比较器和运放供电，然后将5 V通过LDO降至3.3 V给MCU供电，这样MCU能取得相对洁净的电源。另一路外部电源通过电阻分压，发生一个15 V电源用于MOSFET驱动芯片IR2010的供电。
3.3 驱动电路
MOSFET驱动部分选用IR公司的IR2101S驱动芯片来驱动双H桥，然后靠双H桥来操控一个四线制步进电机。IR2101是IR公司出产的一款高性价比驱动器，运用办法十分简略，性价比高，能输出100～210 mA电流。IR2101驱动器可驱动一组功率管，整个功率电路需4片即可，这样不光节省制作本钱，而且还进步体系稳定性。其驱动电路如图4所示。
3.4 电流检测和过流维护
本体系运用采样电阻来收集通过H桥(即电机的定子电流)。此处采样电阻阻值比较大时，会使电阻分压过大，形成H桥的低端电压高于地电压，影响体系的稳定性，而阻值太小又会使信号过小影响检测精度，所以本体系选用0.1Ω电阻作为采样电阻。然后通过LMV358扩大后，成为0～3 V的电压信号，在通过一个跟从器后，进入MCU片上AD，进行数模转化，扩大后的信号还衔接一个比较器用于过流维护。
4 体系软件规划
体系软件主程序框图如图5和图6所示，图5为主程序软件框图，图6为ADC中止软件流程图。
主程序处于死循环状况，每次外部信号Enable后，就会锁存外部的操控频率，方向，限流值，细分度等信号，然后进行内部参数初始化，等候改写定时器计时结束后就开端依照计时中的ADC中止及定时器中止完结的参数核算进行调理方位和速度。
其间ADC在每个PWM的上升沿触发，采样两相电流进行处理，而且将其送给PI调理器调理PWM占空比，而且每次都会与限流值进行比较，一旦电流超越限流值，则自行履行脱机。这些程序在中止中完结，可以是体系更具有实时性。别的，每次走完一个阶梯的波形后，程序将触发timer3计数器，进行细分步数的核算，然后快的调整个周期的细分数。Timer3程序流程图如图7所示。
电机的细分步数为每次Enable之后方能调整，而细分值表则由核算好的正余弦参数存于MCU Flash中。
5 定论
本体系选用电流实时采样并进行PI调理，使两相混合式步进电机的恒转矩运转，真实到达了电流矢量不变操控，在测验中可以有用的下降低频振动，而且，在16细分的状况下操控作业，大幅度的减小了噪声和阻尼振动，是一种有用的操控步进电机的手法。
