步進(jìn)電機作為電磁機械裝置，其進(jìn)給的分辨率取決于細分驅動(dòng)技術(shù)。采用軟件細分驅動(dòng)方式，由于編程的靈活性、通用性，使得步進(jìn)細分驅動(dòng)的成本低、效率高，要修改方案也易辦到。同時(shí)，還可解決步進(jìn)電機在低速時(shí)易出現的低頻振動(dòng)和運行中的噪聲等。但單一的軟件細分驅動(dòng)在精度與速度兼顧上會(huì )有矛盾，細分的步數越多，精度越高，但步進(jìn)電機的轉動(dòng)速度卻降低；要提高轉動(dòng)速度，細分的步數就得減少。為此，設計了多級細分驅動(dòng)系統，通過(guò)不同的細分檔位設定，實(shí)現不同步數的細分，同時(shí)保證了不同的轉動(dòng)速度。

1 細分驅動(dòng)原理
步進(jìn)電機控制中已蘊含了細分的機理。如三相步進(jìn)電機按A→B→C……的順序輪流通電，步進(jìn)電機為整步工作。而按A→AC→C→CB→B→BA→A……的順序通電，則步進(jìn)電機為半步工作。以A→B為例，若將各相電流看作是向量，則從整步到半步的變換，就是在IA與IB之間插入過(guò)渡向量IAB，因為電流向量的合成方向決定了步進(jìn)電機合成磁勢的方向，而合成磁勢的轉動(dòng)角度本身就是步進(jìn)電機的步進(jìn)角度。顯然，I AB的插入改變了合成磁勢的轉動(dòng)大小，使得步進(jìn)電機的步進(jìn)角度由θb變?yōu)?.5 θb，從而也就實(shí)現了2步細分。由此可見(jiàn)，步進(jìn)電機的細分原理就是通過(guò)等角度有規律的插入電流合成向量，從而減小合成磁勢轉動(dòng)角度，達到步進(jìn)電機細分控制的目的。

如圖1所示，在三相步進(jìn)電機的A相與B相之間插入合成向量AB，則實(shí)現了2步細分。要再實(shí)現4步細分，只需在A(yíng)與AB之間插入3個(gè)向量I1、I2、I3，使得合成磁勢的轉動(dòng)角度θ1=θ2=θ3=θ4，就實(shí)現了4步細分。但4步細分與2步細分是不同的，由于I1、I2、I3 3個(gè)向量的插入是對電流向量IB的分解，故控制脈沖已變成了階梯波。細分程度越高，階梯波越復雜。
圖1 步進(jìn)細分原理
在三相步進(jìn)電機整步工作時(shí)，實(shí)現2步細分合成磁勢轉動(dòng)過(guò)程為IA→IAB→IB；實(shí)現4步細分轉動(dòng)過(guò)程為IA→I2→IAB……；而實(shí)現8步細分則轉動(dòng)過(guò)程為IA→I1→I2→I3→IAB……。可見(jiàn)，選擇不同的細分步數，就要插入不同的電流合成向量。

2 多級細分驅動(dòng)系統的實(shí)現
2.1 系統組成
如圖2所示，系統由主機、鍵盤(pán)輸入系統、步進(jìn)顯示系統、步進(jìn)控制系統組成。主機采用AT89C51單片機，其為低功耗的8位單片機，片內有一個(gè)4K字節的Flash可編程、可擦除、只讀存儲器，故可簡(jiǎn)化系統構成，且可滿(mǎn)足本系統數據存儲空間的要求。主機接收串行口送來(lái)的步進(jìn)控制數據，并對其進(jìn)行處理，以實(shí)施步進(jìn)控制。鍵盤(pán)輸入系統是用來(lái)輸入控制所需的細分檔位。系統設計時(shí)，考慮到隨著(zhù)細分的化，如128步細分時(shí)，步距角達到足夠小，能滿(mǎn)足各種步進(jìn)要求，故以2的整數次冪作為細分基準。步進(jìn)顯示系統由液晶顯示器顯示當前細分檔位和細分后的步進(jìn)角等參數。為了減少電路的復雜性，該顯示器顯示的小單位規定為0.01°。步進(jìn)控制系統由D/A轉換部分和驅動(dòng)系統組成。D/A轉換部分包括3片DAC0830集成芯片和數據鎖存系統。DAC0830轉換分辨率是8位，該芯片具有與微處理器兼容、價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉換控制容易等優(yōu)點(diǎn)。D/A轉換部分的功能是將二進(jìn)制代碼表示的階梯波數值轉換為相應的電流值輸出，經(jīng)驅動(dòng)系統放大，控制步進(jìn)電機轉動(dòng)。驅動(dòng)系統采用三級管實(shí)現電流放大。
圖2 多級細分驅動(dòng)系統組成

2.2 細分階梯波的產(chǎn)生
細分的實(shí)現過(guò)程，就是插入電流合成向量和轉換電流合成向量的過(guò)程。電流合成向量轉化的前提是合成向量的插入。在系統中，由主機根據設定的細分檔位，計算出相關(guān)參數，經(jīng)查表生成相對應的階梯波，即插入了電流合成向量。在正轉或反轉的控制信號下，階梯波脈沖由輸出端口經(jīng)鎖存系統送入D/A轉換器件DAC0830進(jìn)行電流合成向量的轉化，輸出對應的電流值，經(jīng)驅動(dòng)放大控制步進(jìn)電機，從而實(shí)現了細分驅動(dòng)
電流合成向量的插入是實(shí)現細分的關(guān)鍵，而要得到電流合成向量，首先必須產(chǎn)生階梯波。由圖1知，在三相電機半步工作的情況下，要實(shí)現4步細分，就必須將B相電流分成4份，但不是等分，需保證θ1=θ2=θ3=θ4。若θ1、θ2、θ3、θ4分別對應的電流向量是IB1、IB2、IB3、IB4，則在θ1所對應的三角形內，設步進(jìn)角為θb，則α=180°-θb，β=θb-θ1，由正弦定理得
考慮到一般情況，由于細分時(shí)步進(jìn)電機控制脈沖波形是階梯型，如對B相進(jìn)行4步細分時(shí),其電流輸入依次為IB1、IB1+ IB2、IB1+ IB2+ IB3、IB1+ IB2+ IB3+ IB4，相應合成磁勢轉過(guò)的角度為θ1、θ1+θ2、θ1+θ2+θ3、θ1+θ2+θ3+θ4，此時(shí)設
IBk即為電流合成向量中B相階梯波中第k階的電流值，θk即為此時(shí)合成磁勢相應轉過(guò)的角度。由此推出，對B相來(lái)講，在步進(jìn)電機的步進(jìn)角度為θb時(shí)，考慮到IA=IB，則階梯波型其任一階的電流值為
同理，可求得A相和C相在細分時(shí)對應的階梯波電流值。對(1)式求解，考慮D/A器件DAC0830的轉換精度是8位，轉換穩定時(shí)間是1 μs，故大進(jìn)行了128步細分的運算，相應求得其對應的細分電流值，并進(jìn)行了相應的轉換，得到對應的二進(jìn)制數值列表。此時(shí)，列表全部的數值就是在實(shí)現128步細分時(shí)，對應階梯波各階的電流值。

2.3 多級細分驅動(dòng)的實(shí)現
要在細分的基礎上實(shí)現多級細分，就必須針對不同的細分檔位生成不同的階梯波。為此，該系統采用了循環(huán)增量查表法。首先建立階梯波數值存儲表格，有兩種方法，一種是針對每種細分方式建立相應的表格，其特點(diǎn)是細分種類(lèi)多樣，但表格所占空間較大；另外一種，也就是該系統采用的，以大細分檔位對應的步數建立一個(gè)表格，減少了所需的存儲空間，并減少了程序運行中的不穩定因素。在具體控制中，該系統通過(guò)設定循環(huán)增量基數，使不同的細分檔位對應不同的細分步數，實(shí)現了多級細分驅動(dòng)。
循環(huán)增量基數是指針對不同的細分檔位，實(shí)現等間隔尋址時(shí)相應跳躍的步數。循環(huán)增量基數是在細分檔位設定后，由相應的計算公式得到。由于該系統大細分步數為128步，即表格大長(cháng)度為128個(gè)字節，若細分步數為m步，則循環(huán)增量基數為L(cháng)B=(128/m)-1。不同的檔位對應不同的循環(huán)增量基數，同一表格就產(chǎn)生了多級細分所需的階梯波。
另外，在整步控制的基礎上，若細分為m步，對每m步運行中的各項電流值進(jìn)行分析比較，可發(fā)現存在以下規律，即各相電流值的變化趨勢，隨著(zhù)相位變化循環(huán)地出現，如表1所示。 
表1 細分控制中各相電流值變化規律 
各相 A→B B→C C→A
A相 高→遞減 電流值=0 增加→高
B相 增加→高 高→遞減 電流值=0
C相 電流值=0 增加→高 高→遞減