劉媛媛

(無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214028)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是數(shù)字控制的電動(dòng)機(jī)，具有較好的低速運(yùn)行特性和較寬的調(diào)速范圍，無(wú)累積誤差，能夠準(zhǔn)確移動(dòng)和定位、壽命長(zhǎng)及抗干擾性能好等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域[1～5]。

由于步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，使它存在整步驅(qū)動(dòng)控制時(shí)有步距角較大、轉(zhuǎn)速不夠平穩(wěn)，低速時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)、機(jī)械噪聲較大及工作精度低等缺點(diǎn)[6]。為了克服步進(jìn)電機(jī)自身的缺陷，實(shí)現(xiàn)在整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)中的精密控制，除了要求電機(jī)自身性能外，另一個(gè)主要因素取決于所選擇的驅(qū)動(dòng)器。目前市面上性能優(yōu)越的步進(jìn)電機(jī)價(jià)格較昂貴。所以一般選擇性價(jià)比稍高的步進(jìn)電機(jī)配套性價(jià)比高的驅(qū)動(dòng)器來(lái)滿足精密控制的需求。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)可以消除電機(jī)的低頻振蕩，并提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和步距的均勻度，是一種較為完善的解決方式[7～9]。筆者結(jié)合步進(jìn)電機(jī)的電流矢量恒幅細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)由STM32F103C8單片機(jī)、AD5336芯片和功放電路組成的二相混合步進(jìn)電機(jī)的高精度細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，給出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的硬件電路、軟件流程和校正程序。

步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)細(xì)分是通過(guò)對(duì)勵(lì)磁繞組中電流合成矢量的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。勵(lì)磁繞組中的電流合成矢量如圖1所示，其中IA﹑IB﹑IH分別表示步進(jìn)電機(jī)兩相A、B的電流矢量和兩相電流的合成矢量。

圖1 勵(lì)磁繞組中的電流合成矢量示意圖

合成的磁場(chǎng)矢量幅值決定了電機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，相鄰的兩個(gè)合成磁場(chǎng)矢量間的夾角決定了步距角的大小。步進(jìn)電機(jī)任意一相的電流變化，都會(huì)引起電流合成矢量幅值的不斷變化，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)距亦隨之變化，這將影響更高的細(xì)分?jǐn)?shù)。為了得到盡可能的圓形合成磁場(chǎng)并保證步距角變化均勻，繞組電流的參考信號(hào)采用近似正弦的階梯狀波形。對(duì)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)而言，需同時(shí)改變IA和IB兩相電流的大小，從而保證電流合成矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制函數(shù)為：

IA=IM·cosθ
IB=IM·sinθ

(1)

其中IM為合成電流幅值。細(xì)分驅(qū)動(dòng)就是用設(shè)定的數(shù)字化電壓量模擬為正余弦電壓，然后細(xì)分步進(jìn)電機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)所受的模擬信號(hào)，確保每個(gè)細(xì)分點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一個(gè)確定的數(shù)字量化值。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)所要求的最大細(xì)分?jǐn)?shù)N，按正弦方式在零和最大相電流之間劃分出N個(gè)電流中間狀態(tài)，同時(shí)將每個(gè)中間狀態(tài)對(duì)應(yīng)的量化值存入E2PROM，步進(jìn)電機(jī)所要求的細(xì)分?jǐn)?shù)可通過(guò)軟件設(shè)定。比如，電機(jī)運(yùn)行要求細(xì)分?jǐn)?shù)為256，就是將1/4周期分成了256個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出給電機(jī)繞組的電流信號(hào)就逼近正弦模擬連續(xù)信號(hào)。

2 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案

根據(jù)輸入設(shè)定的細(xì)分?jǐn)?shù)，微處理器輸出存儲(chǔ)在E2PROM中對(duì)應(yīng)的細(xì)分電流正弦表，微處理器輸出的控制數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為模擬量的電壓信號(hào)，后經(jīng)運(yùn)算電路放大和功率電路放大，兩相繞組分別輸出正弦和余弦變化電流，采用電流合成矢量的方式，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從E2PROM中的正弦表中每輸入一個(gè)對(duì)應(yīng)數(shù)字量，就完成一個(gè)微步距角的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)引入由采樣電阻取樣得到的繞組電壓信號(hào)進(jìn)行負(fù)反饋，以保證電壓放大的穩(wěn)定性。驅(qū)動(dòng)器的硬件框圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)器硬件框圖

3 硬件電路

3.1 微處理器控制電路

微處理器控制部分是以32位ARM內(nèi)核的微處理器STM32F103C8為核心構(gòu)建的電路，其主要功能是根據(jù)鍵盤(pán)輸入設(shè)置參數(shù)及控制數(shù)據(jù)等，輸出E2PROM中存儲(chǔ)的量化的細(xì)分電流控制字，通過(guò)微處理器IO口輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為逼近給定電流正弦波形的階梯波信號(hào)。同時(shí)回讀采集數(shù)據(jù)由LED模塊顯示，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

微處理器通過(guò)I2C總線讀入按照設(shè)定細(xì)分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的正弦表，作為微處理器與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊連接端口的并行輸出數(shù)字量；E2PROM存入多種步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分正弦驅(qū)動(dòng)表，按不同的細(xì)分?jǐn)?shù)，通過(guò)I2C總線與微處理器通信讀入到微處理器。筆者所選的E2PROM芯片為24C04。

3.2 D/A轉(zhuǎn)換芯片

D/A轉(zhuǎn)換芯片主要是把微處理器的數(shù)字驅(qū)動(dòng)量轉(zhuǎn)換為逼近正弦波形的模擬信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算和功率放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。所以D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇決定了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分方案的技術(shù)要求。

D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。筆者選用AD5336作為D/A轉(zhuǎn)換芯片，該芯片具有4個(gè)十位精度可單獨(dú)控制的D/A輸出通道，功耗低，全部數(shù)模轉(zhuǎn)換都通過(guò)一個(gè)十位并行IO口與微處理進(jìn)行讀寫(xiě)操作，D/A轉(zhuǎn)換的切換時(shí)間僅6μs，完全滿足本設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)高精度細(xì)分和快速調(diào)速的需求；而且該芯片帶負(fù)載能力強(qiáng)，每個(gè)D/A通道均帶有軌到軌輸出的緩沖型放大器；該芯片采用雙重緩沖的輸入鎖存架構(gòu)和高速總線的存取時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)兩路數(shù)模轉(zhuǎn)換，分別寫(xiě)入和輸出數(shù)據(jù)，并能實(shí)現(xiàn)同時(shí)一次性寫(xiě)出的功能，完全滿足高速并行輸入和并行輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換要求。AD5336所帶的4個(gè)電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可直接輸出電壓0～5V，再經(jīng)兩級(jí)運(yùn)算放大和功放放大為0～12V，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的兩相繞組控制，減少電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

圖3 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

3.3 放大驅(qū)動(dòng)電路

放大驅(qū)動(dòng)電路主要由運(yùn)算放大電路和功率放大電路兩部分組成。運(yùn)算放大電路部分是以具有極低噪聲、極低失調(diào)電壓和漂移、低輸入偏置電流的高精度運(yùn)放AD8674為核心組成的兩級(jí)運(yùn)算放大電路，在實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓兩級(jí)放大的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的兩級(jí)低通濾波。第一級(jí)運(yùn)算放大電路完成了低通濾波截止頻率5.3kHz，放大倍數(shù)2.00；第二級(jí)運(yùn)算放大完成了低通濾波截止頻率1.1kHz，放大倍數(shù)1.21。功率放大電路是以O(shè)PA544為核心構(gòu)建的電路。OPA544具有響應(yīng)速度快、線性度好及失真小等特點(diǎn)，最大輸出電流2A，提供2倍增益，同時(shí)引入由采樣電阻R16取樣得到的繞組電壓信號(hào)進(jìn)行負(fù)反饋，以保證電壓放大的穩(wěn)定性。其中A相放大驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 A相放大驅(qū)動(dòng)電路

4 驅(qū)動(dòng)軟件

驅(qū)動(dòng)器的控制程序主要由主程序、細(xì)分驅(qū)動(dòng)子程序、按鍵處理程序、數(shù)據(jù)處理和顯示驅(qū)動(dòng)程序5部分組成。

主程序(圖5)實(shí)現(xiàn)整個(gè)程序的流程控制，完成參量初始化、計(jì)數(shù)器工作方式和中斷方式設(shè)置、子程序調(diào)用、鍵盤(pán)輸入運(yùn)行參數(shù)的接收、采集數(shù)據(jù)的回讀、LED連接及顯示等功能，另設(shè)看門(mén)狗代碼防止程序“跑飛”，提高運(yùn)行程序的可靠性。

圖5 主程序流程

細(xì)分驅(qū)動(dòng)子程序中，細(xì)分控制信號(hào)的輸出采用STM32F103C8對(duì)片外E2PROM進(jìn)行循環(huán)查表法。將兩相繞組的加電順序的控制代碼編制成一張表，同時(shí)兩相輸出的細(xì)分值也編制成一個(gè)表，通過(guò)I2C總線的讀入將其存入片外E2PROM中，通過(guò)一個(gè)地址指針的設(shè)置完成正反向?qū)?yīng)表讀取，正向時(shí)將地址指針賦予表首址，隨后逐一遞加地址指針；反向時(shí)將其賦予表首址加上當(dāng)前步長(zhǎng)的偏移量，然后逐一遞減地址指針，即可從表中輸出加電相選的對(duì)應(yīng)代碼，通過(guò)微處理器的并行接口數(shù)模轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大電路，以及各相細(xì)分值的輸出[10]。

5 測(cè)試與結(jié)果分析

假定完成一次正弦變化的周期為T(mén)，必須要求從數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出的前一個(gè)T/4內(nèi)，數(shù)字量輸入由低到高；下一個(gè)T/4內(nèi)，數(shù)字量輸入由高到低。如此循環(huán)輸入數(shù)字量，使電壓按給定的逼近正弦波變化的階梯電平輸出。

如果將放大處理的驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用于兩相混合步進(jìn)電機(jī)的繞組，并保證兩個(gè)繞組的起始相序差為1/4周期，則可得到兩相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)繞組電流，波形如圖6所示，可以看出該電流波形完全滿足步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩細(xì)分驅(qū)動(dòng)所要求的兩相繞組的電流。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于STM32F103C8單片機(jī)、AD5336芯片和功放電路所構(gòu)成的二相混合步進(jìn)電機(jī)的高精度細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用高精度的電壓基準(zhǔn)源，驅(qū)動(dòng)放大電路引入的電壓負(fù)反饋，以及步進(jìn)電機(jī)采用的軟件控制算法與修正程序，較好地克服了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)非線性的影響，確保了高精度細(xì)分的實(shí)現(xiàn)。該驅(qū)動(dòng)器的實(shí)施，滿足了較高的細(xì)分步距角精度及平滑運(yùn)行等要求，提高了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能。

[1] 高琴,劉淑聰,彭宏偉.步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012,34(1):150～152.

[2] 孟軍,張振興,劉波.二相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電氣應(yīng)用,2007,26(12):84～87.

[3] 李昱,劉景林,董亮輝.基于SOPC技術(shù)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分控制器設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī),2011,39(7):46～48,66.

[4] 徐軍,葛素娟.用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分技術(shù)研究[J].機(jī)床電器,2004,(6):25～28.

[5] 劉志明,戴明,匡海鵬.一種步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008,(11):154～156.

[6] 李婧,金占雷.兩相步進(jìn)電機(jī)單極性細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2012,39(3):14～18,52.

[7] 陳興文,劉燕.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2009,36(7):30～33.

[8] 李玲娟,劉景林,王燦.兩相混合式步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究[J].微電機(jī),2007,40(3):48～50.

[9] 劉寶志.步進(jìn)電機(jī)的精確控制方法研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2010.

[10] 彭樹(shù)生,周旋.基于PIC16F876的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2004,12(1):79～82.