2004年9月（1）

摘要  通過合理選擇步進電機相繞組細分電流波形，提出并介紹了基于AT89C51單片機控制的斬波恒流均勻細分驅(qū)動方案及實現(xiàn)技術(shù)。運行結(jié)果表明所設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)具有細分精度高、運行平穩(wěn)且噪聲小、功耗低、可靠性好、性價比高等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞   恒轉(zhuǎn)矩   斬波恒流  均勻細分   驅(qū)動電路

0 引言

   步進電機是一種將離散的電脈沖信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁機械裝置，它輸出的角位移與輸入的脈沖個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，是一種輸出與輸入脈沖對應(yīng)的增量驅(qū)動元件。它具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點，已經(jīng)在當今工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。但其步距角較大，一般為1.5º～3º，往往滿足不了某些高精密定為、精密加工等方面的要求。實現(xiàn)細分驅(qū)動是減小步距角、提高步進分辨率、增加電機運行平穩(wěn)性行之有效的方法之一。步進電機細分運行時，細分的均勻性是首先要考慮的。目前報道的步進電機細分驅(qū)動器大都采用量化的梯形波、正弦波作為細分驅(qū)動的驅(qū)動電流波形，但事實上這些電流波形在一般的步進電機上均不能得到滿意的細分精度。

   本文在選擇合理的電流波形的基礎(chǔ)上，提出了基于AT89C51單片機控制的斬波恒流細分驅(qū)動方案，其運行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很強的實用性。

1 電機細分電流波形的選擇及量化

  步進電機的細分控制，從本質(zhì)上講是通過對步進電機的勵磁繞組中電流的控制，使步進電機內(nèi)部的合成磁場成為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。因此，要實現(xiàn)對步進電機的恒轉(zhuǎn)矩均勻細分控制，必須合理控制電機繞組中的電流使步進電機內(nèi)部合成磁場的幅值恒定，而且每個進給脈沖所引起的合成磁場的角度變化也要均勻。我們知道在空間疲此相差2 /m的 相繞組，分別通以相位上相差2 /m而幅值相同的正弦電流，則合成的電流矢量便在空間作旋轉(zhuǎn)運動，且幅值保持不便。這一點對于反應(yīng)式步進電機來說比較困難，因為反應(yīng)式步進電機的旋轉(zhuǎn)磁場只與繞組電流的絕對值有關(guān)，而與電流的正反流向無關(guān)。以比較經(jīng)濟合理的方式對三相反應(yīng)式步進電機實現(xiàn)步距角的任意細分，繞組電流波形宜采用如圖1所示的形式。

                    圖1 反應(yīng)式步進電機繞組電流波形

當0

當

當

其中： 為電機轉(zhuǎn)子偏離參考點的角度。 滯后于 ， 超前于 。此時，合成電流矢量在所有區(qū)間為 ,從而保證合成磁場幅值恒定，實現(xiàn)電機的恒轉(zhuǎn)矩運行，而步進電機在這種情況下也最為平穩(wěn)。將繞組電流根據(jù)細分倍數(shù)均勻量化后，所得細分步距角也是均勻的。為了進一步得到更加均勻的細分步距角，可通過實驗測取一組在通入量化電流波形時的步進電機細分步距的數(shù)據(jù)，然后對其誤差進行插值補償，求得實際的補償電流曲線，這些工作大部分由計算機來完成。在取得校正后的量化電流波形之后，以相應(yīng)的數(shù)字量儲存于EEPROM中的不同區(qū)域，量化的程度決定了細分驅(qū)動的分辨率。

2 斬波恒流細分驅(qū)動方案及硬件實現(xiàn)

   斬波恒流細分驅(qū)動方案的原理為：由單片機輸出EEPROM中存儲的細分電流控制信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，再與取樣信號進行比較形成斬波控制信號以控制各功率管前級驅(qū)動電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，實現(xiàn)繞組中電流的閉環(huán)控制，達到實現(xiàn)步距的精確細分的目的。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

                          圖2 硬件系統(tǒng)原理框圖

2.1 控制電路

控制電路主要由AT89C51單片機、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲器及可編程鍵盤/顯示控制器Intel－8279等組成，單片機是控制系統(tǒng)的核心。受控步進電機的細分倍數(shù)、運行脈沖頻率、正反轉(zhuǎn)、運行速度、單次運行線位移、啟/停等的控制既可由鍵盤輸入，也可以通過與上位機的串行通信接口由上位機設(shè)置。狀態(tài)顯示提供當前通電相、相電流大小、電機運行時間、正反轉(zhuǎn)、當前運行速度、線位移及相關(guān)計數(shù)等的顯示，并將工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳送給上位機。傳感器用于檢測計數(shù)器的當前值。單片機的主要功能是輸出EEPROM中存儲的細分電流控制信號進行D/A轉(zhuǎn)換。根據(jù)轉(zhuǎn)換精度的要求，D/A轉(zhuǎn)換器既可以選擇8位的，也可選擇12位的。本控制系統(tǒng)選用的是8位D/A轉(zhuǎn)換器MAX516。MAX516把4個D/A轉(zhuǎn)換器與4個比較器組合在單個的CMOS  IC(DIP24封裝)上，4個D/A轉(zhuǎn)換器共享一個參考輸入電壓 。每個轉(zhuǎn)換器的輸出電壓均可采用下式表示：

               

式中：N＝0，1，…255，對應(yīng)于8位DAC的輸入碼 (此處為細分電流控制信號)。通過調(diào)節(jié) 的變化范圍，便可調(diào)節(jié)步進電機繞組中電流的幅值。MAX516內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

                    圖3  MAX516 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管腳圖