作者：王平，施文灶，黃晞，江華麗，何花

引言

步進(jìn)電機(jī)是控制執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)和精密機(jī)械等領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線性位移的驅(qū)動裝置，其轉(zhuǎn)動速度和脈沖頻率能嚴(yán)格同步，具有較高的重復(fù)定位精度，且沒有累積誤差。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動是由驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)的，驅(qū)動電路和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成一個有機(jī)整體。

步進(jìn)電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的優(yōu)點(diǎn)，但同時也存在振蕩、失步以及精度不夠的問題，從而制約了在高精確度自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，如雕刻機(jī)、打印機(jī)、硬盤驅(qū)動器、繪圖儀、鉆孑L機(jī)等。采用細(xì)分控制可以很好地提高精度，因此對基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與研究有著實(shí)際的意義。

1 原理與方案

1．1 細(xì)分原理

細(xì)分控制本質(zhì)上是對步進(jìn)電機(jī)的勵磁繞組中的電流進(jìn)行控制，使內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。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的夾角大小決定了該步距角的大小。

細(xì)分就是將輸入脈沖從原來的電流方波細(xì)分成以若干個等幅、等寬上升和下降的電流階梯波。電流波形有多少個臺階，轉(zhuǎn)子就會以同樣的個數(shù)轉(zhuǎn)過一個步距角。

這種將1個步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動方法稱為“細(xì)分驅(qū)動”。

細(xì)分驅(qū)動的特點(diǎn)是，可以在不改變電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，使步距角減小、提高精度；同時能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，提高勻速性，此外，還能減弱或消除振蕩。

1．2 細(xì)分方案

如采用DSP的軟件細(xì)分方式，具有編程的靈活性、細(xì)分的成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但單一的軟件細(xì)分在精度與速度兼顧上會有矛盾。細(xì)分的步數(shù)越多，精度越高，但步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度卻會降低；要提高轉(zhuǎn)動速度，細(xì)分的步數(shù)就得減少。

如采用FPGA的全數(shù)字化控制方式，工作過程為PwM的輸出經(jīng)過驅(qū)動模塊控制電機(jī)的繞組電流。電機(jī)的繞組電流被采樣后變成電壓信號輸入到電流傳感器，傳感器輸出占空比變化的PWM波輸入到FPGA中，F(xiàn)PGA根據(jù)輸入的PWM波的占空比的值確定反饋電流的大小；但這種方式存在功耗高，成本高的缺點(diǎn)。

如采用脈沖調(diào)制單片機(jī)細(xì)分控制方式，單片機(jī)按控制要求輸出驅(qū)動脈沖，經(jīng)過TA8435集成芯片放大調(diào)制，形成的階梯波對電機(jī)進(jìn)行細(xì)分控制。由于單片機(jī)細(xì)分控制在精度與速度上不存在矛盾，兩者可以單獨(dú)運(yùn)行，而且單片機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，可以實(shí)現(xiàn)步距角的細(xì)分，提高步距角細(xì)分的精確性，所以單片機(jī)細(xì)分控制是比較理想的低成本細(xì)分方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計

為便于實(shí)驗(yàn)調(diào)試以及系統(tǒng)的設(shè)置與監(jiān)控，系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)、AT89CC51單片機(jī)、TA8435步進(jìn)電機(jī)細(xì)分芯片、LED顯示模塊、波形顯示模塊、按鍵等幾部分構(gòu)成，如圖1所示。從功能上又可分為方波與階梯波兩部分。

2．1 方波部分

AT89C51是一種低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)，具有8 KB可編程Flash存儲器，在外圍電路配合下輸出對應(yīng)的需要步進(jìn)電機(jī)動作的方波。脈沖的個數(shù)和頻率直接對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行控制，按鍵與顯示模塊可以方便地設(shè)置和監(jiān)控。

2．2 階梯波部分

TA8435是產(chǎn)生階梯波的核心芯片，波形顯示模塊可以直觀顯示階梯波形。

（1）TA8435的特點(diǎn)

TA8435是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細(xì)分二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動專用芯片，具有以下特點(diǎn)：

①工作電壓范圍寬（10～40 V）；

②輸出電流可達(dá)1．5 A（平均）和2．5 A（峰值）；

③具有整步、半步、1／4細(xì)分、1／8細(xì)分運(yùn)行方式供選擇；

④采用脈寬調(diào)試式斬波驅(qū)動方式；

⑤具有正／反轉(zhuǎn)控制功能；

⑥帶有復(fù)位和使能引腳；

⑦可選擇使用單時鐘輸入或雙時鐘輸入。

（2）TA8435的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

TA8435主要由1個解碼器、2個橋式驅(qū)動電路、2個輸出電流控制電路、2個最大電流限制電路、1個斬波器等功能模塊組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（3）TA8435的引腳

TA8435的引腳如表1所列。

（4）TA8435的細(xì)分工作原理

在圖3中第一個CK時鐘周期時，解碼器打開橋式驅(qū)動電路，電流從VMA流經(jīng)電機(jī)的線圈后經(jīng)RNFA后與地構(gòu)成回路。由于線圈電感的作用，電流是逐漸增大的，所以RNFB上的電壓也隨之上升。當(dāng)RNFB上的電壓大于比較器正端的電壓時，比較器使橋式驅(qū)動電路關(guān)閉，電機(jī)線圈上的電流開始衰減，RNFB上的電壓也相應(yīng)減小；當(dāng)電壓值小于比較器正向電壓時，橋式驅(qū)動電路又重新導(dǎo)通。如此循環(huán)，電流不斷的上升和下降形成鋸齒波，其波形如圖3中 IA波形的第1段。另外由于斬波器頻率很高，一般在幾十kHz（其頻率大小與所選用電容有關(guān)），在OSC作用下，電流鋸齒波紋是非常小的，可以近似認(rèn)為輸出電流是直流。在第2個時鐘周期開始時，輸出電流控制電路輸出電壓UA達(dá)到第2階段，比較器正向電壓也相應(yīng)為第2階段的電壓，因此，流經(jīng)步進(jìn)電機(jī)線圈的電流從第1階段也升至第2階段2，電流波形如圖JA的第2部分。第3、4時鐘周期的工作原理與第1、2周期是一樣的，只是又升高了比較器的正向電壓而已。如此最終形成階梯電流，即加在線圈B上的電流。在CK一個時鐘周期內(nèi)，流經(jīng)線圈A和線圈B的電流共同作用，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一個細(xì)分步。

（5）電路中TA8435引腳的設(shè)定

①TA8435的工作方式設(shè)定。TA8435有4種工作方式，分別代表著無細(xì)分、2細(xì)分、4細(xì)分、8細(xì)分。工作方式由M1、M2引腳電平的組合來決定：M1：O、M2一O時，細(xì)分?jǐn)?shù)=無；M1=O、M2=1時，細(xì)分?jǐn)?shù)=2；M1=1、M2=0時，細(xì)分?jǐn)?shù)=4；M1=1、M2=1時，細(xì)分?jǐn)?shù)=8。本設(shè)計為了步進(jìn)電機(jī)能平穩(wěn)工作，選擇8細(xì)分，即將M1、M2置為高電平。

②控制脈沖的輸入設(shè)定。TA8435有兩個脈沖輸入引腳CKl、CK2，可以用來輸入兩路脈沖。當(dāng)其中一個引腳輸入脈沖時，另一個引腳必須保持高電平。本設(shè)計中，控制脈沖只有一路，因此直接接入CKl，同時將CK2置高，即可滿足要求。

③驅(qū)動電流的設(shè)定。TA8435輸出的驅(qū)動電流由VNF和NFA、NFB引腳上所連的檢測電阻RNF決定，公式為Io=VNF／RNF；而VNF的大小由REF IN引腳電平?jīng)Q定，即高電平時VNF=0.8 V，低電平時VNF=0.5 V。本設(shè)計中所需驅(qū)動電流為1.5 A，因此設(shè)定REF IN引腳為高電平，RNF=0.53 Ω。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路如圖4所示。

（6）步進(jìn)電機(jī)接口

本電路采用四相六線制的PM42L-048系列永磁步進(jìn)電動機(jī)。電機(jī)的主要參數(shù)為：步距角7.5。，步距角精度±7％。電機(jī)接口電路如圖5所示，四相按二相使用可以提高步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。D1～D4快恢復(fù)二極管用來泄放繞組電流，其型號為IN5822。

3 運(yùn)行測試

在同等條件下做兩個實(shí)驗(yàn)：51單片機(jī)按照鍵盤的設(shè)置輸出相應(yīng)時序的脈沖，此脈沖為TA8435的輸入標(biāo)準(zhǔn)信號。實(shí)驗(yàn)1設(shè)置整步運(yùn)行工作方式，TA8435輸出的脈沖沒有變化；實(shí)驗(yàn)2設(shè)置1／8細(xì)分運(yùn)行工作方式，TA84．35輸出的脈沖變化為上升與下降均有8個階梯波形，以實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分。1／8細(xì)分時，每個脈沖轉(zhuǎn)O．981 7。，轉(zhuǎn)換成步距角為O．9802°×8=7．8416°與整步運(yùn)行方式測量值比較過后，其步距角精度提高23％。每個脈沖步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)的角度如表2所列。

結(jié)語

在低速工作時，可以選用1／4細(xì)分或l／8細(xì)分模式，以提高步距角精度；在高速工作時，細(xì)分模式有可能達(dá)不到要求的速度，這時可以選用整步或半步方式，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，振動小、噪聲也小。采用單片機(jī)可以方便地控制TA8435在幾種工作模式之間的切換，而且TA8435細(xì)分芯片具有價格低、控制簡單、工作可靠的特點(diǎn)，所以本方案實(shí)現(xiàn)的細(xì)分控制技術(shù)可以有效地提高步進(jìn)電機(jī)的控制精度，減小步進(jìn)電機(jī)的振動并降低其噪聲。此項(xiàng)目是課題組在福建省科技廳的支持下研究開發(fā)的，其已在智能居家系統(tǒng)中的動作執(zhí)行部分運(yùn)行；工作可靠，性能穩(wěn)定。

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