基于單片機PWM功能的步進電動機細分設(shè)計
景立群1，李勇2，季學(xué)武1
(1清華大學(xué)，北京100084；2．北京航空航天大學(xué)，北京100083)
摘要：兩相混合式步進電動機的步距角一般為1.8。／O .9。，為適應(yīng)微小角度控制，需要對步進電動機步距角進行細分�；趩纹瑱C的PwM功能，設(shè)計了步進電動機驅(qū)動器；分析了步進電動機繞組電感對電流暫態(tài)效應(yīng)的影響，通過編程實現(xiàn)步進電動機步距角24細分；設(shè)計了簡易實驗裝置，并對硬件電路和程序進行試驗驗證。結(jié)果表明，所設(shè)計的驅(qū)動器及編寫的控制程序可以實現(xiàn)步進電動機的細分驅(qū)動，且誤差在可以接受的范圍內(nèi)。
關(guān)鍵詞：步進電動機；細分；PwM
中圖分類號：TM383．6 文獻標識碼：A 文章編號：：1004-7018(2008)08—0014—03
0引言
目前，常用計算機數(shù)字處理技術(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)，對步進電動機各相繞組電流進行脈寬調(diào)制(PwM)控制，獲得按一定規(guī)律改變其幅值和方向的繞組電流，將步進電動機一個整步均分為若干個更細的微步，這種細分方法已經(jīng)較成熟，但是硬件電路一般較復(fù)雜。實踐中發(fā)現(xiàn)，可利用單片機的PwM功能產(chǎn)生變占空比信號，實現(xiàn)步進電動機細分控制，這種辦法可以實現(xiàn)較準確的位置控制，省去了傳統(tǒng)細分電路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊以及電流檢測控制模塊，只是在程序算法上比較復(fù)雜，需要做較多的調(diào)試工作。
本文基于設(shè)計一個簡單的步進電動機控制器，首先分析了步進電動機的細分原理，然后將步進電動機的繞組線圈等效為串聯(lián)的電感和電阻，通過暫態(tài)效應(yīng)分析，得出線圈上作用的一定占空比的電壓信號與電機線圈中電流的關(guān)系。利用這個關(guān)系，對電機線圈加以一定占空比的信號，使步進電動機的線圈電流矢量產(chǎn)生一定順序的微轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)步進電動機的細分。最后通過制作簡易試驗裝置驗證細分的效果，結(jié)果表明步距角誤差在可接受的范圍內(nèi)。
1控制電路的組成
圖l為所設(shè)計的步進電動機控制系統(tǒng)示意圖。由單片機發(fā)出控制信號，經(jīng)電機驅(qū)動芯片L293處理后直接控制兩相混合式步進電動機。圖中A、B兩個端口用PwM口控制，輸入一定占空比的電壓波形；A-、B-兩個端口用i／O口控制，輸人高低電平。
可見，硬件控制電路中投有數(shù)模轉(zhuǎn)換及細分驅(qū)動芯片，節(jié)約了成本。
2工作原理及控制策略
軟件實現(xiàn)步進電動機細分驅(qū)動的工作原理是通過控制步進電動機各相繞組的電流，使其在零到****值之間有多個穩(wěn)定的中間狀態(tài)，從而使相應(yīng)的磁場矢量方向和幅值都有一系列穩(wěn)定的中間狀態(tài)，使得電機中的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生一系列與磁場矢量方向?qū)?yīng)的中間態(tài)。據(jù)此，通過單片機控制各相繞組電流可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩方向的離散變化，從而實現(xiàn)步距角的細分。
按上述分析，為使線圈中合成電流近似按正弦規(guī)律變化，設(shè)計步進電動機四個端口的電壓波形如2a所示，兩相繞組的合成電壓波形(為繪圖清晰，以五細分為例)如圖2b所示。如果能夠確定兩相繞組電流和A、B兩端口占空比的關(guān)系，就能通過程序?qū)Σ竭M電動機進行可控的細分控制。
下面從理論上分析占空比與電流的對應(yīng)關(guān)系。電機的每相繞組可以等效為電阻和電感的串聯(lián)組合。驅(qū)動芯片1293的內(nèi)部相當(dāng)于兩個H橋 [2]，每個H橋控制電機的一個繞組。H橋和繞組連接后的等效電路如圖3所示，其中A1、A2由A端口控制，Al與A端口電平相同，d2與4l反相；_4-l、4—2由  A-端口控制，A一1與4端口電平相同，A一2與A一1反相。以下取圖2中的2(1、2、4、7分析方法一致)狀態(tài)進行分析，3(3、5、6、8分析方法一致)狀態(tài)分析方法與此類似。2狀態(tài)下，d端口為一定占空比變化的波形，A一端口始終為低。設(shè)在t∈[O，αT]，A1、A-2為高電平，三極管導(dǎo)通vl、v4導(dǎo)通，繞組中電流逐漸變大，電流流向如圖3中1所示；t∈[αT，T]，A2、A一2為高電平，三極管v3、v4導(dǎo)通，此時電流不能突變，電流流向如圖3中2所示。經(jīng)分析，電路的電壓方程為[3]：
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