一種實(shí)用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可變細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)
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(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)魂原理，針對(duì)二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)了一種基于AT89C51單片機(jī)的PWM恒轉(zhuǎn)矩可變細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制器，并詳細(xì)闡述了軟、硬件部分分的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)細(xì)分精度高、運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲小、性價(jià)比高且非常實(shí)用。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；細(xì)分驅(qū)動(dòng)；PWM
中圖分類號(hào)：TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004 -7018( 2008) 09 -0031 -04
O引言
混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)集反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)于一身，應(yīng)用非常普遍。它不能簡(jiǎn)單地直接接到普通的交直流電源上運(yùn)轉(zhuǎn)，而需要專門的驅(qū)動(dòng)器，在電機(jī)本體選定的情況下，控制器的好壞很大程度上影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。本文所設(shè)計(jì)的控制器以兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性為出發(fā)點(diǎn)，以AT89C51單片機(jī)和DAC0832為核心，帶多檔位細(xì)分和恒流等功能。它與混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套可以大大地改善步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，通用性強(qiáng)。
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述
系統(tǒng)由單片機(jī)控制電路、細(xì)分電路、斬波恒流電路、駔動(dòng)與功率電路、邏輯綜合電路及保護(hù)電路組成。驅(qū)動(dòng)器的控制核心采用AT89 C51。AT89C51通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)判斷比較，輸出存儲(chǔ)器中給定電流波形的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)DAC0832和放大器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，該信號(hào)和電機(jī)繞組中的電流經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換成的電壓信號(hào)進(jìn)行比較，若反饋信號(hào)大于給定電壓，電路將功放管截止，反之使功放管導(dǎo)通來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。D/A輸出不同的控制電壓，繞組中流過(guò)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(xì)分控制思想概述
兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在振動(dòng)和噪聲問(wèn)題，這個(gè)缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用領(lǐng)域。在電機(jī)本體既定的情況下，我們可以通過(guò)采用先進(jìn)的控制技術(shù)來(lái)克服電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的這個(gè)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可以基本消除低頻共振現(xiàn)象，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)也可減小振動(dòng)和噪聲，并且還可以提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。
在通常的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，電機(jī)相繞組中通人的是方波信號(hào)，電流是跳變的。相應(yīng)地就使得電機(jī)在運(yùn)行時(shí)存在明顯的步進(jìn)感，步距角較大。而細(xì)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(shí)，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(lái)完成一個(gè)原有的步距角。
本系統(tǒng)采用的是脈寬調(diào)制式細(xì)分控制，在圖1中實(shí)際上CAL環(huán)形分配器輸出的相控制信號(hào)并不是階梯波，而是脈寬調(diào)制信號(hào)( PWMl，PWM信號(hào)占空比越大，平均電流越大，不同占空比PWM信號(hào)相當(dāng)于相應(yīng)幅值的階梯波。PWM信號(hào)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(shí)間，控制電機(jī)相繞組中平均電流的大小。微步距PWM信號(hào)發(fā)生電路的示意圖如圖2所示。
3硬件電路設(shè)計(jì)
3 1單片機(jī)主控單元和D/A轉(zhuǎn)換電路
單片機(jī)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(hào)，包括細(xì)分檔位、運(yùn)行脈沖頻率、正反轉(zhuǎn)和起/停等信號(hào)，然后輸出存儲(chǔ)器中相應(yīng)的細(xì)分電流控制信號(hào)，再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)：
存儲(chǔ)器中的電流波形的數(shù)字信號(hào)是這樣計(jì)算的：對(duì)于兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，要同時(shí)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(xì)分控制函數(shù)采用下式：
實(shí)際中根據(jù)電機(jī)運(yùn)行所要求的****細(xì)分?jǐn)?shù)N，在零到****相電流之間按正弦方式劃分N個(gè)穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)，將對(duì)應(yīng)每個(gè)狀態(tài)的二進(jìn)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(chǔ)，它跟正弦值只是相位互差90度，通過(guò)軟件即可實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)主控單元和D/A轉(zhuǎn)換電路圖如圖3所示。
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