|
引言 步進(jìn)電機(jī)是控制執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)和精密機(jī)械等領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線性位移的驅(qū)動(dòng)裝置，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度和脈沖頻率能嚴(yán)格同步，具有較高的重復(fù)定位精度，且沒有累積誤差。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是由驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)的，驅(qū)動(dòng)電路和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和成本低的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在振蕩、失步以及精度不夠的問題，從而制約了在高精確度自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，如雕刻機(jī)、打印機(jī)、硬盤驅(qū)動(dòng)器、繪圖儀、鉆孑L機(jī)等。采用細(xì)分控制可以很好地提高精度，因此對(duì)基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究有著實(shí)際的意義。 1 原理與方案 1．1 細(xì)分原理 細(xì)分控制本質(zhì)上是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組中的電流進(jìn)行控制，使內(nèi)部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量的夾角大小決定了該步距角的大小。 細(xì)分就是將輸入脈沖從原來的電流方波細(xì)分成以若干個(gè)等幅、等寬上升和下降的電流階梯波。電流波形有多少個(gè)臺(tái)階，轉(zhuǎn)子就會(huì)以同樣的個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。 這種將1個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)方法稱為“細(xì)分驅(qū)動(dòng)”。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是，可以在不改變電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，使步距角減小、提高精度；同時(shí)能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，提高勻速性，此外，還能減弱或消除振蕩。 1．2 細(xì)分方案 如采用DSP的軟件細(xì)分方式，具有編程的靈活性、細(xì)分的成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但單一的軟件細(xì)分在精度與速度兼顧上會(huì)有矛盾。細(xì)分的步數(shù)越多，精度越高，但步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度卻會(huì)降低；要提高轉(zhuǎn)動(dòng)速度，細(xì)分的步數(shù)就得減少。 如采用FPGA的全數(shù)字化控制方式，工作過程為PwM的輸出經(jīng)過驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)的繞組電流。電機(jī)的繞組電流被采樣后變成電壓信號(hào)輸入到電流傳感器，傳感器輸出占空比變化的PWM波輸入到FPGA中，F(xiàn)PGA根據(jù)輸入的PWM波的占空比的值確定反饋電流的大小；但這種方式存在功耗高，成本高的缺點(diǎn)。 如采用脈沖調(diào)制單片機(jī)細(xì)分控制方式，單片機(jī)按控制要求輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)過TA8435集成芯片放大調(diào)制，形成的階梯波對(duì)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分控制。由于單片機(jī)細(xì)分控制在精度與速度上不存在矛盾，兩者可以單獨(dú)運(yùn)行，而且單片機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)步距角的細(xì)分，提高步距角細(xì)分的精確性，所以單片機(jī)細(xì)分控制是比較理想的低成本細(xì)分方案。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為便于實(shí)驗(yàn)調(diào)試以及系統(tǒng)的設(shè)置與監(jiān)控，系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)、AT89CC51單片機(jī)、TA8435步進(jìn)電機(jī)細(xì)分芯片、LED顯示模塊、波形顯示模塊、按鍵等幾部分構(gòu)成，如圖1所示。從功能上又可分為方波與階梯波兩部分。 
2．1 方波部分 AT89C51是一種低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)，具有8 KB可編程Flash存儲(chǔ)器，在外圍電路配合下輸出對(duì)應(yīng)的需要步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作的方波。脈沖的個(gè)數(shù)和頻率直接對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行控制，按鍵與顯示模塊可以方便地設(shè)置和監(jiān)控。 2．2 階梯波部分 TA8435是產(chǎn)生階梯波的核心芯片，波形顯示模塊可以直觀顯示階梯波形。 (1)TA8435的特點(diǎn) TA8435是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細(xì)分二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片，具有以下特點(diǎn)： ①工作電壓范圍寬(10～40 V)； ②輸出電流可達(dá)1．5 A(平均)和2．5 A(峰值)； ③具有整步、半步、1／4細(xì)分、1／8細(xì)分運(yùn)行方式供選擇； ④采用脈寬調(diào)試式斬波驅(qū)動(dòng)方式； ⑤具有正／反轉(zhuǎn)控制功能； ⑥帶有復(fù)位和使能引腳； ⑦可選擇使用單時(shí)鐘輸入或雙時(shí)鐘輸入。 (2)TA8435的內(nèi)部結(jié)構(gòu) TA8435主要由1個(gè)解碼器、2個(gè)橋式驅(qū)動(dòng)電路、2個(gè)輸出電流控制電路、2個(gè)最大電流限制電路、1個(gè)斬波器等功能模塊組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
(3)TA8435的引腳 TA8435的引腳如表1所列。
(4)TA8435的細(xì)分工作原理 在圖3中第一個(gè)CK時(shí)鐘周期時(shí)，解碼器打開橋式驅(qū)動(dòng)電路，電流從VMA流經(jīng)電機(jī)的線圈后經(jīng)RNFA后與地構(gòu)成回路。由于線圈電感的作用，電流是逐漸增大的，所以RNFB上的電壓也隨之上升。當(dāng)RNFB上的電壓大于比較器正端的電壓時(shí)，比較器使橋式驅(qū)動(dòng)電路關(guān)閉，電機(jī)線圈上的電流開始衰減，RNFB上的電壓也相應(yīng)減小；當(dāng)電壓值小于比較器正向電壓時(shí)，橋式驅(qū)動(dòng)電路又重新導(dǎo)通。如此循環(huán)，電流不斷的上升和下降形成鋸齒波，其波形如圖3中 IA波形的第1段。另外由于斬波器頻率很高，一般在幾十kHz(其頻率大小與所選用電容有關(guān))，在OSC作用下，電流鋸齒波紋是非常小的，可以近似認(rèn)為輸出電流是直流。在第2個(gè)時(shí)鐘周期開始時(shí)，輸出電流控制電路輸出電壓UA達(dá)到第2階段，比較器正向電壓也相應(yīng)為第2階段的電壓，因此，流經(jīng)步進(jìn)電機(jī)線圈的電流從第1階段也升至第2階段2，電流波形如圖JA的第2部分。第3、4時(shí)鐘周期的工作原理與第1、2周期是一樣的，只是又升高了比較器的正向電壓而已。如此最終形成階梯電流，即加在線圈B上的電流。在CK一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，流經(jīng)線圈A和線圈B的電流共同作用，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)細(xì)分步。
(5)電路中TA8435引腳的設(shè)定 ①TA8435的工作方式設(shè)定。TA8435有4種工作方式，分別代表著無細(xì)分、2細(xì)分、4細(xì)分、8細(xì)分。工作方式由M1、M2引腳電平的組合來決定：M1：O、M2一O時(shí)，細(xì)分?jǐn)?shù)=無；M1=O、M2=1時(shí)，細(xì)分?jǐn)?shù)=2；M1=1、M2=0時(shí)，細(xì)分?jǐn)?shù)=4；M1=1、M2=1時(shí)，細(xì)分?jǐn)?shù)=8。本設(shè)計(jì)為了步進(jìn)電機(jī)能平穩(wěn)工作，選擇8細(xì)分，即將M1、M2置為高電平。 ②控制脈沖的輸入設(shè)定。TA8435有兩個(gè)脈沖輸入引腳CKl、CK2，可以用來輸入兩路脈沖。當(dāng)其中一個(gè)引腳輸入脈沖時(shí)，另一個(gè)引腳必須保持高電平。本設(shè)計(jì)中，控制脈沖只有一路，因此直接接入CKl，同時(shí)將CK2置高，即可滿足要求。 ③驅(qū)動(dòng)電流的設(shè)定。TA8435輸出的驅(qū)動(dòng)電流由VNF和NFA、NFB引腳上所連的檢測(cè)電阻RNF決定，公式為Io=VNF／RNF；而VNF的大小由REF IN引腳電平?jīng)Q定，即高電平時(shí)VNF=0.8 V，低電平時(shí)VNF=0.5 V。本設(shè)計(jì)中所需驅(qū)動(dòng)電流為1.5 A，因此設(shè)定REF IN引腳為高電平，RNF=0.53 Ω。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。
(6)步進(jìn)電機(jī)接口 本電路采用四相六線制的PM42L-048系列永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。電機(jī)的主要參數(shù)為：步距角7.5。，步距角精度±7％。電機(jī)接口電路如圖5所示，四相按二相使用可以提高步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。D1～D4快恢復(fù)二極管用來泄放繞組電流，其型號(hào)為IN5822。
3 運(yùn)行測(cè)試 在同等條件下做兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：51單片機(jī)按照鍵盤的設(shè)置輸出相應(yīng)時(shí)序的脈沖，此脈沖為TA8435的輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)1設(shè)置整步運(yùn)行工作方式，TA8435輸出的脈沖沒有變化；實(shí)驗(yàn)2設(shè)置1／8細(xì)分運(yùn)行工作方式，TA84．35輸出的脈沖變化為上升與下降均有8個(gè)階梯波形，以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分。1／8細(xì)分時(shí)，每個(gè)脈沖轉(zhuǎn)O．981 7。，轉(zhuǎn)換成步距角為O．9802°×8=7．8416°與整步運(yùn)行方式測(cè)量值比較過后，其步距角精度提高23％。每個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)的角度如表2所列。 結(jié)語(yǔ) 在低速工作時(shí)，可以選用1／4細(xì)分或l／8細(xì)分模式，以提高步距角精度；在高速工作時(shí)，細(xì)分模式有可能達(dá)不到要求的速度，這時(shí)可以選用整步或半步方式，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，振動(dòng)小、噪聲也小。采用單片機(jī)可以方便地控制TA8435在幾種工作模式之間的切換，而且TA8435細(xì)分芯片具有價(jià)格低、控制簡(jiǎn)單、工作可靠的特點(diǎn)，所以本方案實(shí)現(xiàn)的細(xì)分控制技術(shù)可以有效地提高步進(jìn)電機(jī)的控制精度，減小步進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)并降低其噪聲。此項(xiàng)目是課題組在福建省科技廳的支持下研究開發(fā)的，其已在智能居家系統(tǒng)中的動(dòng)作執(zhí)行部分運(yùn)行；工作可靠，性能穩(wěn)定。 參考文獻(xiàn) 1. 孟武勝.王益軍 步進(jìn)電機(jī)分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [期刊論文] -微型電腦應(yīng)用2008(3) 2. 張瑞.常靜波.劉銀年 高穩(wěn)定度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) [期刊論文] -計(jì)算機(jī)工程2007(4) 3. 麥志忠.高軍禮 步進(jìn)電機(jī)軟控制器的設(shè)計(jì) [期刊論文] -廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2008(1) 4. 何寶福.張文紅.劉永鴻 用虛擬細(xì)分法控制步進(jìn)電機(jī) [期刊論文] -電光與控制2007(3) 5. 高軍禮.盧卓權(quán) 步進(jìn)電機(jī)一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [期刊論文] -微計(jì)算機(jī)信息2007(10) 6. 王曉明 電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制 2005 作者：福建師范大學(xué) 王平 施文灶 黃唏 江華麗 何花 來源：?jiǎn)纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 2009（5） |
