郜鵬宇

摘?要：運(yùn)用自趨圓算法，通過51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：細(xì)分驅(qū)動;近似函數(shù)法;單片機(jī)

引言

步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖進(jìn)行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的電機(jī)，其機(jī)械位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機(jī)繞組的脈沖個數(shù)和脈沖頻率成正比，每一個脈沖信號可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個固定的角度.脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度。

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)是70年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合使用性能的驅(qū)動技術(shù)。細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得電機(jī)的相數(shù)不受步距角的限制，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來了方便。

本文采用單片機(jī)作為控制中心設(shè)計(jì)了采用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。

1.細(xì)分驅(qū)動原理與特點(diǎn)

細(xì)分驅(qū)動的基本思想是：

細(xì)分是通過驅(qū)動器精確控制步進(jìn)電機(jī)的相電流實(shí)現(xiàn)的，與電機(jī)本身無關(guān)?？梢栽诿看屋斎朊}沖切換時(shí)，不是將定子繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應(yīng)定子繞組電流的一部分，則電動機(jī)的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分，轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)行也只有步距角的一部分。這里，定子繞組電流不是一個方波，而是階梯波，定子繞組電流是臺階式的投入或切除，電流分成多少個臺階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的步數(shù)轉(zhuǎn)過一個步距角。這種將一個步進(jìn)角細(xì)分成若干步的驅(qū)動方法，即為細(xì)分驅(qū)動，又稱微步驅(qū)動。

采用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)后，在不改變步進(jìn)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的前提下，可以大幅度提高步進(jìn)電機(jī)的分辨率。

（2）由于電機(jī)繞組中的電流變化幅度變小了，所以引起低頻振蕩的過沖能量降低了，即改善了低頻性能，減小了開環(huán)運(yùn)動的噪聲，提高了運(yùn)行穩(wěn)定度。

（3）在數(shù)控系統(tǒng)中，加工誤差難以提高的原因很大一部分是由于減速箱的存在，采用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)后，可以采用步進(jìn)電機(jī)直接同絲杠相連的形式，這樣可以在很大程度上消除了由減速機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的回程誤差及爬行等。

（4）采用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)后，可以改善步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的矩頻特性，控制頻率也可相應(yīng)提高。

2.細(xì)分驅(qū)動數(shù)學(xué)模型的建立

本文采用的是近似函數(shù)法，也就是通過對步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行特性的分析來獲得近似的數(shù)學(xué)模型，建立電流數(shù)據(jù)。

距一角關(guān)系曲線如圖1：{

式（4一14）就是計(jì)算圓內(nèi)接正多邊形的遞推公式。用上式進(jìn)行計(jì)算時(shí)要注意誤差的積累問題，由于每一步結(jié)果和以前一步的計(jì)算結(jié)果有關(guān)，因此也和以前各步的結(jié)果的誤差有關(guān)，必須作誤差分析，針對此問題的分析可轉(zhuǎn)化為對初始誤差的積累的估計(jì)。將（1-1）代入（1-3）便可以得到電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)的趨圓自適應(yīng)算法公式：

（1-4）

由于算法中所采用的線性加正弦規(guī)律能夠最接近于步進(jìn)電機(jī)的非線性特征，波形的均勻性好，從而可以實(shí)現(xiàn)步距角的等步距細(xì)分;并且完全能夠做到實(shí)時(shí)計(jì)算，動態(tài)細(xì)分。對于不同的電機(jī)，可以通過控制參數(shù)K2的大小從而調(diào)整線性分量與正弦分量之間的比例，通用性也比較好。

3.控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1硬件電路設(shè)計(jì)

（1）主回路部分。驅(qū)動器的主回路采用交一直一交電壓型逆變電路形式，由整流濾波電路、三相逆變電路以及混合式步進(jìn)電機(jī)等組成。整流濾波電路構(gòu)成直流電壓源，完成220V，50Hz交流電源到直流電源的變換"三相逆變橋電路實(shí)現(xiàn)從直流電到變頻變壓交流電的轉(zhuǎn)換，為三相混合式步進(jìn)電機(jī)的定子繞組提供要求的交流電流。三相逆變電路采用雙H橋驅(qū)動。

（2）控制電路部分。單片機(jī)一路輸出控制信號至邏輯控制電路用以控制H橋驅(qū)動電路的導(dǎo)通與關(guān)斷;另一路利用遞推公式（1-4）計(jì)算出各相繞組中通過的電流值輸出到D/A轉(zhuǎn)換器中，由D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為繞組所需的相電流基準(zhǔn)送入比較器。電機(jī)相繞組上的實(shí)際電流經(jīng)電流采樣轉(zhuǎn)換后亦輸入比較器，若該電流小于本次細(xì)分電流要求，則由比較器輸出控制信號使橋式驅(qū)動電路繼續(xù)導(dǎo)通;若該電流已達(dá)到本次細(xì)分電流基準(zhǔn)值，則由比較器輸出控制信號使邏輯控制電路關(guān)斷橋式驅(qū)動電路。

（3）開關(guān)電源。開關(guān)電源用來給驅(qū)動器內(nèi)部的控制電路提供多路電源。

3.2?軟件設(shè)計(jì)

控制電路主要由AT89C51單片機(jī)、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲器及可編程鍵盤/顯示控制器Intel一8279等組成，單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，受控步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分倍數(shù)、運(yùn)行脈沖頻率、正反轉(zhuǎn)、運(yùn)行速度、單次運(yùn)行線位移以及啟停等的控制既可由鍵盤輸入，也可以通過與上位機(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)前通電相、相電流大小、電機(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。單片機(jī)的主要功能是輸出EEPROM中存儲的細(xì)分電流控制信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。細(xì)分驅(qū)動程序中，細(xì)分電流控制信號的輸出采用實(shí)時(shí)計(jì)算的方法得到，并用地址選擇來實(shí)現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細(xì)分，從而實(shí)時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角位置。

下面列出主程序（圖6）和細(xì)分控制子程序（圖7）的程序框圖。

4.結(jié)束語

本文采用51單片機(jī)，通過趨圓自適應(yīng)算法實(shí)時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角位置，改變了以往細(xì)分控制參數(shù)需要事先計(jì)算的方式，節(jié)省了存貯空間，并能動態(tài)的適應(yīng)多級細(xì)分的情況，提供了一個切實(shí)可行的基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制方案。

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