以80C196MC單片機(jī)為控制核心的步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩?cái)卦O(shè)計(jì)

引言

步進(jìn)電機(jī)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(jī)械裝置,它具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在當(dāng)今工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，但其步矩角較大，一般為1.5o~3o，往往滿足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動是減小步距角、提高步進(jìn)分辨率、增加電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性的一種行之有效的方法。本文在選擇了合理的電流波形的基礎(chǔ)上，提出了基于Intel 80C196MC單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩細(xì)分驅(qū)動方案，其運(yùn)行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

細(xì)分電流波形的選擇及量化

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過對步進(jìn)電機(jī)的勵磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。因此，要想實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩均勻細(xì)分控制，必須合理控制電機(jī)繞組中的電流，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部合成磁場的幅值恒定，而且每個進(jìn)給脈沖所引起的合成磁場的角度變化也要均勻。我們知道在空間彼此相差2p/m的m相繞組，分別通以相位上相差2p/m而幅值相同的正弦電流，合成的電流矢量便在空間作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，且幅值保持不變。這—點(diǎn)對于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)來說比較困難，因?yàn)榉磻?yīng)式步進(jìn)電機(jī)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(jì)合理的方式對三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)步距角的任意細(xì)分，繞組電流波形宜采用如圖1所示的形式。

圖中，a為電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的角度。ib滯后于ia， ic超前于ia。此時(shí)，合成電流矢量在所有區(qū)間b＝Ime-ja，從而保證合成磁場幅值恒定，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。且步進(jìn)電機(jī)在這種情況下也最為平穩(wěn)。將繞組電流根據(jù)細(xì)分倍數(shù)均勻量化后，所得細(xì)分步距角也是均勻的。為了進(jìn)一步得到更加均勻的細(xì)分步距角，可通過實(shí)驗(yàn)測取一組在通入量化電流波形時(shí)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分步距的數(shù)據(jù)，然后對其誤差進(jìn)行差值補(bǔ)償，求得實(shí)際的補(bǔ)償電流曲線。這些工作大部分由計(jì)算機(jī)來完成。

步進(jìn)電機(jī)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(jī)械裝置,它具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在當(dāng)今工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，但其步矩角較大，一般為1.5o~3o，往往滿足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動是減小步距角、提高步進(jìn)分辨率、增加電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性的一種行之有效的方法。本文在選擇了合理的電流波形的基礎(chǔ)上，提出了基于Intel 80C196MC單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩細(xì)分驅(qū)動方案，其運(yùn)行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

圖1 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)繞組電流波形

圖2 硬件系統(tǒng)原理框圖

細(xì)分電流波形的選擇及量化

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過對步進(jìn)電機(jī)的勵磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。因此，要想實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩均勻細(xì)分控制，必須合理控制電機(jī)繞組中的電流，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部合成磁場的幅值恒定，而且每個進(jìn)給脈沖所引起的合成磁場的角度變化也要均勻。我們知道在空間彼此相差2p/m的m相繞組，分別通以相位上相差2p/m而幅值相同的正弦電流，合成的電流矢量便在空間作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，且幅值保持不變。這—點(diǎn)對于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)來說比較困難，因?yàn)榉磻?yīng)式步進(jìn)電機(jī)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(jì)合理的方式對三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)步距角的任意細(xì)分，繞組電流波形宜采用如圖1所示的形式。

圖中，a為電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的角度。ib滯后于ia， ic超前于ia。此時(shí)，合成電流矢量在所有區(qū)間b＝Ime-ja，從而保證合成磁場幅值恒定，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。且步進(jìn)電機(jī)在這種情況下也最為平穩(wěn)。將繞組電流根據(jù)細(xì)分倍數(shù)均勻量化后，所得細(xì)分步距角也是均勻的。為了進(jìn)一步得到更加均勻的細(xì)分步距角，可通過實(shí)驗(yàn)測取一組在通入量化電流波形時(shí)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分步距的數(shù)據(jù)，然后對其誤差進(jìn)行差值補(bǔ)償，求得實(shí)際的補(bǔ)償電流曲線。這些工作大部分由計(jì)算機(jī)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)字量存儲于EEPROM中的不同區(qū)域，量化的程度決定了細(xì)分驅(qū)動的分辨率。

斬波恒流細(xì)分驅(qū)動方案及硬件實(shí)現(xiàn)

斬波恒流細(xì)分驅(qū)動方案的原理為：由單片機(jī)輸出EEPROM中存儲的細(xì)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(jìn)行比較，形成斬波控制信號，控制各功率管前級驅(qū)動電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)繞組中電流的閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)步距的精確細(xì)分。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

控制電路

控制電路主要由80C196MC單片機(jī)、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，受控步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分倍數(shù)、運(yùn)行脈沖頻率、正反轉(zhuǎn)、運(yùn)行速度、單次運(yùn)行線位移、啟/停等的控制，既可由鍵盤輸入，也可以通過串行通信接口由上位機(jī)設(shè)置。狀態(tài)顯示提供當(dāng)前通電相位、相電流大小、電機(jī)運(yùn)行時(shí)間、正反轉(zhuǎn)、當(dāng)前運(yùn)行速度、線位移及相關(guān)計(jì)數(shù)等信息顯示，并將工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。傳感器(霍爾傳感器)用于檢測計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值。單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心其主要功能是輸出EEPROM中存儲的細(xì)分電流控制信號進(jìn)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，亦可選擇12位的。本控制系統(tǒng)選用的是8位D/A轉(zhuǎn)換器MAX516，MAX51*個D/A轉(zhuǎn)換器與4個比較器組合在單個的 CMOS IC上，4個D/A轉(zhuǎn)換器共享一個參考輸入電壓VREF。每個轉(zhuǎn)換器的輸出電壓均可采用下式表示：

VDACi=VREFN/256

N＝0，l，......，255，對應(yīng)于8位的DAC的輸入碼D0—D7(此處為細(xì)分電流控制信號)。通過調(diào)節(jié)VREF的變化范圍，便可調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中電流的幅值。

功率驅(qū)動電路

工作中，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分電流控制信號的D/A轉(zhuǎn)換值Ui輸入到MAX516內(nèi)部各比較器COMPi的同向輸入端，繞組電流取樣信號Vi輸入到COMPi的反向輸入端。斬波恒流驅(qū)動采用固定頻率的方波與比較器輸出信號調(diào)制成斬波控制信號，控制繞組的通電時(shí)間，使反饋電壓Vi始終跟隨D/A轉(zhuǎn)換輸出的控制電壓 Ui。合理選擇續(xù)流回路就可使繞組中的電流值在一定的平均值上下波動，且波動范圍不大。

調(diào)制用方波信號頻率為21.74KHz，由80C196MC的P6.6/PWM0端產(chǎn)生，且各相是同頻斬波，不會產(chǎn)生差拍現(xiàn)象，所以消除了電磁噪聲。為防止因比較器漂移或干擾導(dǎo)致功率開關(guān)管誤導(dǎo)通，讓斬波控制信號和相序控制信號相與后控制功放管。

當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，并聯(lián)RC、快恢復(fù)續(xù)流二極管D、繞組L及主電源構(gòu)成泄放回路。與單純電阻釋能電路相比，RC釋能電路使功耗和電流紋波增加較小，而電流下降速度大大加快。電流取樣信號由精密電流傳感放大器MAX471完成。當(dāng)繞組電流流過其內(nèi)部35mΩ精密取樣電阻時(shí)，經(jīng)內(nèi)部電路變化，轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號：

VOUT=ROUT×(ILOAD×500mA/A)

其中ROUT為MAX471外部調(diào)壓電阻，阻值按設(shè)計(jì)要求選定。ILOAD為流過精密電阻的相繞組電流。MAX471同時(shí)具有電流檢測與放大功能，從而大大方便了整個電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試。

功率開關(guān)管(功放管)是功放電路中的關(guān)鍵部分，影響著整個系統(tǒng)的功耗和體積。由于所設(shè)計(jì)的驅(qū)動器主要用來驅(qū)動額定電流3A、額定電壓27V以下的步進(jìn)電機(jī)，故選用高頻VMOS功率場效應(yīng)晶體管IRF540(VDS=100V，RDS(on)=0.052W，ID=27A)作為開關(guān)管。IRF540導(dǎo)通電阻很小，因此，即使電機(jī)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，該VMOS管殼本身的溫度也比較低，無須外加風(fēng)扇。

為了提高步進(jìn)電機(jī)的工作可靠性，消除電機(jī)電感性繞組的串?dāng)_，本系統(tǒng)無論從驅(qū)動部分還是反饋部分都進(jìn)行了隔離。驅(qū)動隔離采用高速光電耦合器6N137為隔離元件，一方面可以實(shí)現(xiàn)前級控制電路同步進(jìn)電機(jī)繞組的隔離；另一方面使功率開關(guān)管的驅(qū)動變得方便可靠。反饋通道的濾波部分采用無源低通濾波器，其作用是高速衰減繞組(電感線圈)在開關(guān)時(shí)截止頻率以上的瞬時(shí)高頻電壓信號，從而避免控制電路做出太迅速的反應(yīng)，可以有效地防止步進(jìn)電機(jī)的振蕩。線性光耦合電路的作用是將濾波后的采樣電阻反饋信號線性地傳輸給比較器。

軟件設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)的軟件主要由主控程序、細(xì)分驅(qū)動程序、鍵處理程序、顯示數(shù)據(jù)處理及顯示驅(qū)動程序、通信監(jiān)控程序等部分組成。

細(xì)分驅(qū)動電路的主控制程序控制整個程序的流程，主要完成程序的初始化、中斷方式的設(shè)置、計(jì)數(shù)器工作方式的設(shè)置及相關(guān)子程序的調(diào)用等。初始化包括8279 各寄存器、8279的顯示RAM、80C916MC的中斷系統(tǒng)及內(nèi)部RAM等。在80C196MC的各中斷中，使用了INT15、INT14和INT13 這三個中斷，其中，INT15為高優(yōu)先級。在運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)有停止鍵按下時(shí)，則INT15中斷服務(wù)程序?qū)1關(guān)閉，從而使步進(jìn)電機(jī)停止。T1控制每一步的步進(jìn)周期，該服務(wù)程序基本上只作重置定時(shí)器和置標(biāo)志位的操作，而其它操作均在主程序中完成。主程序流程圖見本刊網(wǎng)站。

細(xì)分驅(qū)動程序中，細(xì)分電流控制信號的輸出采用單片機(jī)片內(nèi)EEPROM軟件查表法，用地址選擇來實(shí)現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細(xì)分，從而實(shí)時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角位置。其流程圖如圖4所示。

步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制是通過改變電機(jī)通電相序來實(shí)現(xiàn)的。為達(dá)到對步進(jìn)電機(jī)啟/停運(yùn)行過程的快速和精確控制，從其動力學(xué)特性出發(fā)，推導(dǎo)出符合步進(jìn)電機(jī)矩頻特性的曲線應(yīng)該是指數(shù)型運(yùn)行曲線，并將這一曲線量化后，存入EEPROM。步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過程中，每個通電狀態(tài)保持時(shí)間的長短，由當(dāng)前速度對應(yīng)的延時(shí)時(shí)間值決定。

圖3 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動控制主程序流程圖

結(jié)語

本文提出并實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)均勻細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)，最高細(xì)分達(dá)到256細(xì)分，能適應(yīng)大多數(shù)中小微型步進(jìn)電機(jī)的可變細(xì)分控制、較高細(xì)分步距角精度及平滑運(yùn)行等要求。大量新型元器件的采用，使所設(shè)計(jì)的驅(qū)動器具有體積小、細(xì)分精度高、運(yùn)行功耗低、可靠性高、可維護(hù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)軟件功能豐富，通用性強(qiáng)，從而使控制系統(tǒng)更加靈活。

該驅(qū)動控制系統(tǒng)已經(jīng)用于“全自動高精度線材切割機(jī)”的驅(qū)動控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了較高的穩(wěn)速精度和切割精度，慣性小，運(yùn)行可靠，取得了滿意的效果。