1. 步進電機細分技術概述

步進電機是一種將電脈沖信號轉換為角位移的執行機構，其基本運動單位為步距角。傳統步進電機的步距角通常為 1.8°（對應 200 步 / 轉），但在高精度定位場景下，這種分辨率已無法滿足需求。細分技術通過控制繞組電流的大小，將一個完整的步距角劃分為多個微步，從而實現更高的分辨率和更平滑的運動。

細分的核心原理： 通過控制電機繞組的電流幅值，使電機磁場方向連續變化，從而將機械步分解為更小的微步。例如，1/16 細分意味著將 1.8° 的步距角分解為 1.8°/16=0.1125° 的微步，電機每轉需要 3200 個脈沖。

2. 軟件細分算法解析

軟件細分算法通過微控制器（如 STM32）實時計算繞組電流的目標值，并通過 PWM 或 DAC 輸出控制信號。以下是常見的細分算法實現方式：

2.1 線性插值法

• 原理：將每個步距的電流變化近似為線性遞增 / 遞減。
• 實現： 假設目標電流為，細分步數為?N，則第?k?步的電流為：

• 

  ?
• 優缺點：算法簡單，但電流波形為梯形波，易產生振動和噪聲。

2.2 正弦波細分法

• 原理：根據正弦規律控制兩相繞組的電流，使合成磁場方向連續變化。
• 實現： 假設細分步數為?N，則第?k?步的電流為：
• 
• 優缺點：電流波形更平滑，振動和噪聲顯著降低，但計算復雜度較高。

2.3 查表法

• 原理：預先計算各細分步的電流值并存儲在數組中，運行時直接查表輸出。
• 實現：

  // 正弦波細分表（1/16細分）
  const float sine_table[16] = {0.0000, 0.3827, 0.7071, 0.9239,1.0000, 0.9239, 0.7071, 0.3827,0.0000, -0.3827, -0.7071, -0.9239,-1.0000, -0.9239, -0.7071, -0.3827
  };
  

• 優缺點：計算速度快，但需占用內存存儲細分表。

3. 軟件細分功能實現

以 STM32F407 微控制器為例，實現四相步進電機的 1/16 細分控制。

3.1 硬件連接

• 電機驅動：使用 L298N 或 A4988 等驅動模塊，連接 STM32 的 PWM 輸出引腳。
• 電流檢測：通過 ADC 采樣繞組電流，實現閉環控制（可選）。

3.2 軟件設計

1. 定時器初始化： 使用高級定時器（如 TIM1）生成 PWM 信號，頻率根據電機最高轉速確定。

   TIM_HandleTypeDef htim1;
   TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;htim1.Instance = TIM1;
   htim1.Init.Prescaler = 83; // 84MHz / 84 = 1MHz
   htim1.Init.Period = 999;   // PWM頻率 = 1MHz / 1000 = 1kHz
   HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
   sConfigOC.Pulse = 0;
   sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
   HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
   HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
   

2. 細分控制邏輯： 根據目標細分步數更新 PWM 占空比。

   void set_current(float current) {uint32_t pulse = current * 1000; // 假設電流范圍0-1A，對應PWM 0-1000__HAL_TIM_SetCompare(&htim1, TIM_CHANNEL_1, pulse);
   }void step_motor(int direction, int steps) {for (int i = 0; i < steps; i++) {for (int k = 0; k < 16; k++) { // 1/16細分float i_a = sine_table[k] * max_current;float i_b = sine_table[(k + 4) % 16] * max_current;set_current(i_a, i_b);HAL_Delay(1); // 根據速度調整延時}}
   }
   

4. 應用場景

1. 3D 打印機：提高打印精度，減少層紋。
2. 雕刻機：實現精細雕刻，降低振動。
3. 醫療設備：如輸液泵、顯微鏡載物臺的精密定位。
4. 機器人關節：平滑運動，減少機械磨損。

5. 軟件細分 vs 硬件細分

對比項	軟件細分	硬件細分
成本	低（依賴軟件算法，無需專用芯片）	高（需專用細分驅動芯片）
靈活性	高（可動態調整細分倍數）	低（固定細分倍數）
實時性	受 CPU 性能限制	高（硬件電路直接處理）
精度	依賴算法和 ADC 精度	高（專用芯片優化）
適用場景	低成本、中等精度需求	高可靠性、高速高精度場景

6. 編程要點與優化

1. 電流控制：

   • 使用 PWM 輸出控制電流時，需考慮電機繞組的電感特性，避免電流過沖。
   • 加入電流反饋（ADC 采樣）實現閉環控制，提高精度。

2. 速度平滑：

   • 采用 S 曲線加減速算法，避免啟停時的沖擊。

   // S曲線加減速示例
   void s_curve_acceleration(int target_speed) {for (int speed = 0; speed < target_speed; speed++) {delay_time = base_delay - speed * acceleration;HAL_Delay(delay_time);}
   }
   

3. 抗干擾設計：

   • 對 PWM 信號和電流采樣信號進行濾波處理，減少噪聲影響。

7. 總結

軟件細分算法通過靈活的控制策略和低成本實現，成為步進電機高精度控制的重要手段。盡管其性能受限于微控制器的處理能力，但在大多數工業和消費場景中已能滿足需求。未來，隨著嵌入式系統性能的提升，軟件細分將進一步擴展其應用邊界，推動步進電機控制技術的革新。