基于ATMEGA48單片機(jī)的儀表步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制原理及應(yīng)用[圖]

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)某相線圈加一脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變得非常簡單。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不像普通的直流電機(jī)、交流電機(jī)那樣在常規(guī)下使用。它必須在雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)下使用。

儀表步進(jìn)電機(jī)屬于步進(jìn)電機(jī)中體積、功耗較小的類別，可以由單片機(jī)或?qū)Ｓ眯酒囊_直接驅(qū)動，不需外接驅(qū)動器，因而在儀表中被用于指針的旋轉(zhuǎn)控制。

需求分析

本方案中使用的儀表具有如下特點(diǎn)和設(shè)計參數(shù)：

●指針響應(yīng)靈敏、走位準(zhǔn)確，即收到驅(qū)動脈沖后不能丟步;

●指針轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，即指針從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置之間的走位要平穩(wěn)，正、反轉(zhuǎn)都不能出現(xiàn)抖動;

●兩相、步距角10o、轉(zhuǎn)動范圍300o。

根據(jù)技術(shù)參數(shù)可知，采用兩相四拍和兩相八拍時的步距角為10o和5o，在300o的范圍內(nèi)只能作30和60個刻度劃分，在實際應(yīng)用中，會發(fā)現(xiàn)指針步距角不能滿足要求而且抖動不可避免。為了實現(xiàn)指針高精度的準(zhǔn)確走位和平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，要對步進(jìn)電機(jī)步距進(jìn)行高分辨率細(xì)分，這也是設(shè)計的難點(diǎn)所在。

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)是一種電子阻尼技術(shù)，其主要目的是提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的高精度細(xì)分。其基本概念為：步進(jìn)電機(jī)通過細(xì)分驅(qū)動器的驅(qū)動，其步距角變小了。如驅(qū)動器工作在10細(xì)分狀態(tài)時，其步距角只為電機(jī)固有步距角的十分之一。以兩相四拍為例：當(dāng)電機(jī)工作在不細(xì)分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動10o;而用細(xì)分驅(qū)動器工作在10細(xì)分狀態(tài)時，電機(jī)只轉(zhuǎn)動了1o。細(xì)分功能完全是由驅(qū)動器或單片機(jī)靠精確控制電機(jī)的相電流所實現(xiàn)的，與電機(jī)本身無關(guān)。

細(xì)分原理

兩相四拍A、B、/A、/B的驅(qū)動狀態(tài)表如表1所示。

　　兩相八拍A、B、/A、/B的驅(qū)動狀態(tài)表如表2所示。

參考相關(guān)資料后不難發(fā)現(xiàn)：細(xì)分驅(qū)動技術(shù)常用近似正弦波的階梯型電流代替矩形波電流，產(chǎn)生一個微步旋轉(zhuǎn)磁場，從而帶動電機(jī)以更小的步距角轉(zhuǎn)動，其電流波形和旋轉(zhuǎn)磁場矢量如圖1所示。同時由于正弦波電流變化平滑，使電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)、噪聲更小。即通過改變相鄰兩相(A，B)電流的大小和方向(A相正弦波和B相余弦波矢量疊加)，以改變合成磁場的夾角，通過電流矢量合成的方式來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　硬件設(shè)計和軟件編程

根據(jù)細(xì)分原理可知，對于兩相步進(jìn)電機(jī)，需要同時控制兩組線圈的電壓大小和方向才能達(dá)到合成電流矢量控制的目的，控制線圈的電流大小有兩種方案：其一是通過單片機(jī)寫入數(shù)字量，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器件輸出模擬電壓，控制線圈電流大小;其二是通過某些單片機(jī)自帶的PWM引腳輸出占空比可控的方波，用其交流有效值控制線圈電流大小。很顯然，按照正弦規(guī)律變化的占空比決定了線圈電流大小也按照相同的正弦規(guī)律變化。線圈的電壓施加方向可以通過邏輯門電路來實現(xiàn)。

綜上，選用具有兩路16位精度PWM功能的ATMEGA48單片機(jī)，外圍硬件電路設(shè)計如圖2。

使用該單片機(jī)具有PWM功能的PB1和PB2連接PWM_A和PWM_B，使用兩個普通引腳連接DIR_A和DIR_B即可實現(xiàn)對電機(jī)的控制。原理說明如下：電機(jī)的A、/A、B、/B分別對應(yīng)四輸入與門電路的3、6、8、11引腳。在DIR_A和DIR_B為低電平時，門電路的1、9引腳為0狀態(tài)，三極管Q3、Q4截止，門電路的4、12引腳由于上拉處于1狀態(tài)，這樣，與門電路的3、8輸出為0，即A、B為0;此時與門電路的6、11輸出與PWM_A和PWM_B保持一致，即/A、/B由PWM_A和PWM_B決定。在其他狀態(tài)下，也具有同類特點(diǎn)：A和/A之間、B和/B之間的通電極性由DIR_A和DIR_B決定;A和/A之間、B和/B之間的電流大小由PWM_A和PWM_B的占空比決定。而且只要三極管Q3、Q4工作正常，與門電路就不會出現(xiàn)邏輯混亂的情況。