1 引言
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將離散的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置，它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，是一種輸入與輸出脈沖對(duì)應(yīng)的增量驅(qū)動(dòng)元件。它具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。但其步矩角較大，一般為1.5~3°，往往滿足不了某些高精度定位、精密加工等方面的要求。
實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)是減小步矩角、提高步進(jìn)分辨率、增加電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)的一種行之有效的方法。目前步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制，多采用量化的梯形波、正弦波作為細(xì)分驅(qū)動(dòng)的電流波形，但實(shí)際上這些電流波形一般在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上均不能得到滿意的細(xì)分精度。
在合理選擇電流波形的基礎(chǔ)上，提出用AT89C52單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)斬波恒流細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案，其運(yùn)行功率小，可靠性高，通用性好，細(xì)分精度高，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
2 細(xì)分電流波形的選擇及量化
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過對(duì)的勵(lì)磁繞組中的電流控制，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步矩角的細(xì)分。一般情況下，合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩個(gè)合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角大小決定了步矩角的大小。因此，想要實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的恒力矩均勻細(xì)分控制，必須合理控制步進(jìn)電機(jī)繞組中的電流，使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部合成磁場(chǎng)的幅值恒定，而且每個(gè)進(jìn)給脈沖所引起的合成磁場(chǎng)的角度變化也要均勻。我們知道在空間彼此相差2π/m的m 相繞組，分別通以相位上差2π/m而幅值相同的正弦電流，則合成的電流矢量便在空間做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且幅值保持不便。這一點(diǎn)對(duì)于反映式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說比較困難，因?yàn)榉磻?yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說比較困難，因?yàn)榉从呈讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)只與繞組電流的****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(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)步矩角的任意細(xì)分，繞組電流波形宣采用如圖1所示的形式
其中，α為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的角度。 ib滯后于ia 2π/3, ic超前于ia 2π/3。此時(shí)，合成電流矢量在所有區(qū)間
，從而保證合成磁場(chǎng)幅值的恒定，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在這種情況下也最平穩(wěn)。將繞組電流根據(jù)細(xì)分倍數(shù)均勻量化后，所得細(xì)分步矩角也是均勻的。為了進(jìn)一步得到更加均勻的細(xì)分步矩角，可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)取一組在通入量化電流波形時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分步矩的數(shù)據(jù)，然后對(duì)其誤差進(jìn)行插值補(bǔ)償，求得實(shí)際的補(bǔ)償電流曲線，這些工作大部分可以由計(jì)算機(jī)來完成。在取得矯正后的量化電流波形之后，以相應(yīng)的數(shù)字量?jī)?chǔ)存于E?PROM 中的不同區(qū)域，量化的程度決定了細(xì)分驅(qū)動(dòng)的分辨率。
3 細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案及硬件實(shí)現(xiàn)
斬波恒流細(xì)分驅(qū)動(dòng)的方案的原理為：由單片機(jī)輸出 E?PROM 中儲(chǔ)存的細(xì)分電流控制信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，再取樣信號(hào)進(jìn)行比較，形成斬波控制信號(hào)，控制各功率管前級(jí)驅(qū)動(dòng)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)步矩的精確細(xì)分。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
3.1 控制電路
控制電路主要由AT89CT52單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、D/A轉(zhuǎn)換、E?PROM及可編程鍵盤/顯示控制器Intel8279等組成，單片機(jī)是的核心。受控步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分倍數(shù)、運(yùn)行脈沖、正反轉(zhuǎn)、運(yùn)行速度、單次運(yùn)行線位移、啟/停等的控制即可由鍵盤輸入，也可通過與上位機(jī)的串行通信接口由上位機(jī)設(shè)置。狀態(tài)顯示提供當(dāng)前通電電動(dòng)機(jī)、機(jī)電流大小、電動(dòng)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)等的顯示，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）由于檢測(cè)計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值。單片機(jī)的主要功能是輸出E?PROM中儲(chǔ)存的細(xì)分電流控制信號(hào)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。根據(jù)轉(zhuǎn)換精度的要求，D/A轉(zhuǎn)換器即可以選擇8位的，也可以選擇12位的。本驅(qū)動(dòng)的控制器選用的是8位的D/A轉(zhuǎn)換器MAX516。MAX516把4個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器與4個(gè)比較器組合在單個(gè)的CMOS IC（DIP20封裝）上4個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器共享一個(gè)參考輸入電壓UREF均可采用下式表示
UDACi=UREFN/256
式中 N=0，1，…，255
N對(duì)應(yīng)于8位的DAC輸入碼D0～D7（此處為細(xì)分電流控制信號(hào)）。通過、調(diào)節(jié)UREF的變化范圍，便可調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組中電流的幅值。
3.2 功率驅(qū)動(dòng)電路
工作中，步進(jìn)電機(jī)組分電流控制信號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換值Ui輸入到MAX516內(nèi)部各比較器COMPi的
|
