一種實用的步進電動機可變細分驅(qū)動控制器設(shè)計
李玲娟，劉景林，王燦（西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072）
摘要：分析了步進電動機的脈寬調(diào)制式細分驅(qū)魂原理，針對二相混合式步進電動機，設(shè)計了一種基于AT89C51單片機的PWM恒轉(zhuǎn)矩可變細分驅(qū)動控制器，并詳細闡述了軟、硬件部分分的實現(xiàn)方法。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)細分精度高、運行平穩(wěn)、噪聲小、性價比高且非常實用。
關(guān)鍵詞：單片機；混合式步進電動機；細分驅(qū)動；PWM
中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A 文章編號：1004 -7018( 2008) 09 -0031 -04
O引言
混合式步進電動機集反應(yīng)式和永磁式步進電動機的優(yōu)點于一身，應(yīng)用非常普遍。它不能簡單地直接接到普通的交直流電源上運轉(zhuǎn)，而需要專門的驅(qū)動器，在電機本體選定的情況下，控制器的好壞很大程度上影響著整個系統(tǒng)的運行性能。本文所設(shè)計的控制器以兩相混合式步進電動機運行特性為出發(fā)點，以AT89C51單片機和DAC0832為核心，帶多檔位細分和恒流等功能。它與混合式步進電動機配套可以大大地改善步進電動機的運行性能，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，經(jīng)濟實用，通用性強。
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述
系統(tǒng)由單片機控制電路、細分電路、斬波恒流電路、駔動與功率電路、邏輯綜合電路及保護電路組成。驅(qū)動器的控制核心采用AT89 C51。AT89C51通過對輸入信號判斷比較，輸出存儲器中給定電流波形的控制信號，信號經(jīng)過DAC0832和放大器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓信號，該信號和電機繞組中的電流經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換成的電壓信號進行比較，若反饋信號大于給定電壓，電路將功放管截止，反之使功放管導(dǎo)通來驅(qū)動步進電動機。D/A輸出不同的控制電壓，繞組中流過不同的電流值。結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。
2脈寬調(diào)制式細分控制思想概述
兩相混合式步進電動機在低速運轉(zhuǎn)時存在振動和噪聲問題，這個缺點限制了它的應(yīng)用領(lǐng)域。在電機本體既定的情況下，我們可以通過采用先進的控制技術(shù)來克服電機運行過程中的這個問題。實驗表明，采用斬波恒流驅(qū)動技術(shù)，可以基本消除低頻共振現(xiàn)象，采用細分驅(qū)動技術(shù)也可減小振動和噪聲，并且還可以提高電機的運轉(zhuǎn)精度。
在通常的步進電機驅(qū)動電路中，電機相繞組中通人的是方波信號，電流是跳變的。相應(yīng)地就使得電機在運行時存在明顯的步進感，步距角較大。而細分控制就是使繞組中通人的電流階梯狀上升或下降，這樣在每次脈沖切換時，繞組電流并不是突變的。額定電流分成多少次切換，轉(zhuǎn)子就以多少步來完成一個原有的步距角。
本系統(tǒng)采用的是脈寬調(diào)制式細分控制，在圖1中實際上CAL環(huán)形分配器輸出的相控制信號并不是階梯波，而是脈寬調(diào)制信號( PWMl，PWM信號占空比越大，平均電流越大，不同占空比PWM信號相當(dāng)于相應(yīng)幅值的階梯波。PWM信號控制功放管工作于開關(guān)狀態(tài)，調(diào)節(jié)功放管的導(dǎo)通時間，控制電機相繞組中平均電流的大小。微步距PWM信號發(fā)生電路的示意圖如圖2所示。
3硬件電路設(shè)計
3 1單片機主控單元和D/A轉(zhuǎn)換電路
單片機AT89C51作為系統(tǒng)的主控單元，它接收外界按鍵給出的控制信號，包括細分檔位、運行脈沖頻率、正反轉(zhuǎn)和起/停等信號，然后輸出存儲器中相應(yīng)的細分電流控制信號，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號：
存儲器中的電流波形的數(shù)字信號是這樣計算的：對于兩相混合式步進電動機，要同時改變兩相電流/IA和/IB的大小，使電流合成矢量等幅均勻旋轉(zhuǎn)：所以細分控制函數(shù)采用下式：
實際中根據(jù)電機運行所要求的****細分數(shù)N，在零到****相電流之間按正弦方式劃分N個穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)，將對應(yīng)每個狀態(tài)的二進制量化值存入E2PROM中。余弦狀態(tài)的量化值不需要另辟空間存儲，它跟正弦值只是相位互差90度，通過軟件即可實現(xiàn)。單片機主控單元和D/A轉(zhuǎn)換電路圖如圖3所示。
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