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惲為民 侯琳棋（哈爾濱工業(yè)大學(xué)）
【摘 要】首先闡述 步進(jìn)電機(jī)的微步驅(qū)動(dòng)原理及實(shí)現(xiàn)技術(shù)，然后提出微步驅(qū)動(dòng)位置閉環(huán)控制的原理及控制程序流程，并介紹了8031單片機(jī)構(gòu)成的控制器，最后給出試驗(yàn)結(jié)果。 【敘 詞】步進(jìn)電動(dòng)機(jī)／微步驅(qū)動(dòng)位置自動(dòng)控制／閉環(huán)控制單片微型機(jī)
1引言
步進(jìn)電機(jī)主要有反應(yīng)式、永磁式、混合式等3種類型，其優(yōu)點(diǎn)是，數(shù)字式控制；成本低；低轉(zhuǎn)子慣量；無漂移、無累積定位誤差；能迅速加減速和停機(jī)；永磁式和混合式在停電時(shí)有較高定位轉(zhuǎn)矩。主要缺點(diǎn)是，轉(zhuǎn)換效率低；功率小；分辨率低；速度低；有丟步現(xiàn)象和低頻振蕩現(xiàn)象。
隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作性能得到很大提高。微步技術(shù)可使每步細(xì)分成125微步或更多。閉環(huán)控制技術(shù)提高了步進(jìn)電機(jī)的位置控制精度、運(yùn)行穩(wěn)定性和平均輸出扭矩[2]。
微步(microstep)的概念是在70年代中期提出的。進(jìn)行了研究[3 4]。微步數(shù)和徽步精度主要由控制器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性決定。相 電流的選擇有2種方法：①基于轉(zhuǎn)矩一位移曲線。②基于把連續(xù)的磁場(chǎng)離散化。
涉進(jìn)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制方法主要有核步法位置閉環(huán)控制和超前角速度閉環(huán)控制。
2微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)
數(shù)Ns=8，轉(zhuǎn)子齒數(shù)Nr=6，則每轉(zhuǎn)步數(shù)為：
步矩角為：
R=360度/N=15度
當(dāng)A相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子停在與A相定子對(duì)準(zhǔn)的狀態(tài)，見圖1。當(dāng)A相通電轉(zhuǎn)為B相通電時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過15度。當(dāng)A相通電轉(zhuǎn)為AB相通電時(shí)（見圖2），轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過7.5度，定位于AB相中間的一個(gè)電平衡點(diǎn)，當(dāng)B相通電時(shí)，電流不是由零直接升至額定值IB，而是把其分成n個(gè)單位電流：
2.1步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)原理
圖1 A相通電使B相電流隨這個(gè)階梯遞增，通電狀態(tài)對(duì)于圖1所示四相 步進(jìn)電機(jī)，定子齒的變化為：
那么轉(zhuǎn)子將在每個(gè)微步狀態(tài)AB,達(dá)到一個(gè)新的電平衡點(diǎn)，ABi與ABf．之間即構(gòu)成一微步，A相二整步過程中的微步過程為：
則四相微步驅(qū)動(dòng)的步距角公式為：
式中n-微步數(shù)，N——每轉(zhuǎn)步數(shù)
2.2微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是各相繞組電流的選擇。一般按靜轉(zhuǎn)矩位移曲線選擇電流，但是實(shí)際的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)靜轉(zhuǎn)矩位移曲線并不是圖3所示的理想正弦曲線。另外，相電流和靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系也不能精確建立。因此，為了實(shí)際的運(yùn)用和計(jì)算機(jī)控制器的便利，一般均勻劃分相電流，但可能引起步矩角的不均勻，這可通過均化手段進(jìn)行改善。
本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用作機(jī)器人的某一關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，采用四相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步矩角1.8度，兩相通電微步驅(qū)動(dòng)時(shí)，各相電流波形見圖4。
當(dāng)電機(jī)通以圖4所示從左至右的各相電流時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)順時(shí)針微步運(yùn)行。變化的階梯電流對(duì)應(yīng)的數(shù)字值存在E—PROM中，本文采用八位D/A轉(zhuǎn)換，故數(shù)據(jù)范圍為0～255，微步數(shù)也為1～255，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中建立了1、5、10、25、50、100、200、255籌8種微步數(shù)，最小的步矩為：
2.3微步驅(qū)動(dòng)電路
微步驅(qū)動(dòng)是軟硬件密切結(jié)合的技術(shù)。微步驅(qū)動(dòng)電路的核心包括D/A轉(zhuǎn)換電路、譯碼選通電路和壓控恒流電源。單片機(jī)控制電路原理見圖5，微步驅(qū)動(dòng)電源電路見圖6。
控制器輸出不同的數(shù)據(jù)給D/A轉(zhuǎn)換電路，通過壓控恒流電源可以獲得階梯相電流。- Vref（參考電壓）的變化范圍控制DAC轉(zhuǎn)換的輸出電壓范圍，從而也控制了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流范圍，其優(yōu)點(diǎn)是不需調(diào)節(jié)微步驅(qū)動(dòng)電源中的限流電阻來控制運(yùn)行電流的****值，從而避免了多余的功率損耗。
圖5中采用與8031完全兼容的8253進(jìn)行計(jì)數(shù)，8253有3個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，由C/T0計(jì)碼盤順時(shí)針的脈沖數(shù)，C/T1計(jì)碼盤逆時(shí)針的脈沖數(shù)，采祥時(shí)用閂鎖操作進(jìn)行飛讀，經(jīng)少量軟件處理即可獲得相對(duì)于零點(diǎn)****位置。
4097為雙路八通道模擬開關(guān)，選通端A、B、C分別和8031的P1.0、P1.1、P1.2相接。輸入端有3種電壓：-VL，+Vh，+Vm，-VL是高截止電壓為負(fù)，接通-VL相的電流為零； 接通+Vh相的電流為****，+Vh為可調(diào)，與 +Vm的****值保持一致，+Vm為D/A轉(zhuǎn)換的輸出，接通該相形成階梯電流。為實(shí)現(xiàn)圖4的相電流波形圖，模擬開關(guān)選通序列如附表所示。圖6為微步驅(qū)動(dòng)專用電源，運(yùn)算放大器A和達(dá)林頓三極管Q1及限流電阻R構(gòu)成一壓控電流源，電機(jī)繞組La在A的反饋環(huán)外，其關(guān)系為：
在反饋環(huán)節(jié)中，采祥電流和控制負(fù)載電流相差一基極電流：
式中HFE-Q1的動(dòng)態(tài)放大倍數(shù)
因此，選用高放大倍數(shù)的達(dá)林頓功放管可提高電流控制精度。
3微步驅(qū)動(dòng)位置閉環(huán)控制
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是數(shù)字式驅(qū)動(dòng)器，由于自身就具有積分補(bǔ)償作用，因此位置控制時(shí)沒有累積誤差。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置閉環(huán)控制框圖見圖7。
本文采用核步法實(shí)現(xiàn)微步驅(qū)動(dòng)位置閉環(huán)控制，核步法原理是用光電編碼器（或其它轉(zhuǎn)角傳感器）的輸出信號(hào)計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的累積微步數(shù)，并不斷進(jìn)行判斷，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行微步數(shù)等于指令微步數(shù)時(shí)，停止運(yùn)行或運(yùn)行新的指令值。微步驅(qū)動(dòng)位置控制精度可以達(dá)到0.5個(gè)微步距角，且有很好的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微步精度較高，同時(shí)需要光電碼盤有匹配的精度。
微步驅(qū)動(dòng)位置閉環(huán)控制主程序流程見圖8。軟件設(shè)計(jì)要盡量簡(jiǎn)明,否則，計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)，影響步進(jìn)電機(jī)的****運(yùn)行頻率。
4結(jié) 論
根據(jù)機(jī)器人動(dòng)態(tài)平衡實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求，步進(jìn)電機(jī)在微步數(shù)為50的狀態(tài)下運(yùn)行，光電碼盤5 0 0 0脈沖/r，達(dá)到位置控制精度0. 036度，在3r/min的低速運(yùn)行時(shí)沒有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。
通過研究，可得出結(jié)論，用單片機(jī)可設(shè)計(jì)功能靈活的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微步驅(qū)動(dòng)位置閉環(huán)控制，從而大大提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置控制精度和低頻運(yùn)行性能，在機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等場(chǎng)合，有廣泛的應(yīng)用前景。
圖8控制主程序流程
特殊用途步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
印度的SRI Katragadda電子有限公司最近推出的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)包含有8種混合型和永磁型產(chǎn)品，每秒能激勵(lì)零步到數(shù)干步，轉(zhuǎn)矩1mNm～10Nm，準(zhǔn)確度小于±0.005度。
（陳善海譯1993，2）
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