(武漢商學院 機器人視覺感知與應用科研創(chuàng)新團隊，武漢 430056)

0 引言

隨著工業(yè)自動化程度的提高，步進電機在現(xiàn)代生產生活中的應用也越來越廣泛。比如在工業(yè)機器人應用領域和醫(yī)療自動化領域中的應用極其廣泛，在醫(yī)療設備領域的應用也隨處都可以見到步進電機的應用[1]。在多種步進電機中，混合式步進電機集反應式和永磁式步進電機的優(yōu)點于一身，應用更加普遍[2]。但是步進電機在應用中存在一些制約其深入發(fā)展和性能提高的瓶頸性因素，比如在應用中會現(xiàn)出諸如低速平穩(wěn)性和高速快速響應能力較差，并且存在效率低和能耗大等弊端[3-5]。步進電機驅動控制技術是步進電機運動性能的關鍵，當前在現(xiàn)有的控制技術中存在步進電機的分辨率較低，低頻振蕩，運行噪聲大，脫步或位置偏移等方面的問題。這些問題限制了步進電機的運行精度和在高系統(tǒng)穩(wěn)定性要求的工程技術的領域的應用。針對這些在實際應用中遇到的問題，可以采用軟硬件技術協(xié)同設計的方法提高步進電機細分驅動的精度，改進步進電機的運行驅動方式，以到提高其穩(wěn)定性和節(jié)能增效的目的。 本文探索了基于單片機控制的步進電機細分技術，通過實驗進一步提高了步進電機運行的穩(wěn)定性和精度。

1 步進電機細分技術的方案設計

眾所周知，步進電機是在開環(huán)控制系統(tǒng)中實現(xiàn)電脈沖信號轉換成角度位移信號的主要元素。非過載的步進電機的速度和位置完全取決于脈沖信號的頻率和脈沖個數(shù)，而不受負載變化的影響。因此，在步進電機的控制應用領域，每給定電機一個脈沖信號，電機將轉一個步角，工程系統(tǒng)最重要的控制參數(shù)是步角的控制精度，即通過控制步進電機的步長來提高步角的精度。步進電機細分技術是在20世紀80年代發(fā)展起來的驅動控制技術，該技術的出現(xiàn)極大提高了步進電機的精度和控制系統(tǒng)的性能。最近幾年來，隨著微處理器和半導體技術的發(fā)展，細分技術有了更加寬廣的應用范圍，特別是在數(shù)字控制領域。脈沖寬度調制技術在步進電機驅動電路中值最為典型的驅動電路之一。也是人們研究最多，應用最廣的電路。該類型電路也被人們廣泛稱之為變頻驅動方法，即通過改變輸出脈沖的頻率和個數(shù)改變步進電機的速度和位置。

1.1 基于PWM波的細分驅動技術

如今，變頻驅動方法由于其控制方法簡單，節(jié)約能源等方面的優(yōu)勢被廣泛應用在步進電機的速度控制方面。已經廣泛應用到電機驅動領域里的PWM技術(脈寬調制)其實質是把諧波的能量搬移到更高頻譜的范圍之內，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減少系統(tǒng)能耗，達到節(jié)能目的。其基本思路是：細分驅動電流的變化受控于PWM脈沖的脈寬變化，只要給驅動功率管的基極上施加一定脈寬和頻率的脈沖序列，就可在相應電機繞組上得到相應的階梯變化的電流波形[6-7]。

許多基于PWM的思想的變頻驅動設計方法產生了高質量的輸出結果，這些方法通過簡單的增加變頻驅動的開關頻率會使其性能進一步的優(yōu)化。但這樣會由于增加變換器開關頻率的增加會使系統(tǒng)功耗的增加，因此也會產生嚴重的共模電壓。在相關的文獻報道里，基于PWM變頻驅動的而產生共模電壓會變換成電機的軸向電壓，該電壓可能產生軸向電流進一步毀壞電機和引起嚴重的電磁干擾問題[8-14]。因此，進一步研究基于脈寬調制(PWM)技術的步進電機細分驅動技術是十分有必要的。

1.2 步進電機細分系統(tǒng)設計方案

根據(jù)實際應用的需要，本系統(tǒng)結構由如下幾個部分組成。具體包括單片機微處理器單元、步進電機細分驅動硬件電路、系統(tǒng)供電電源、外部交互鍵控單元等組成。驅動控制器的微處理器核心采用常用的STC89C51微型單片機。這里的STC89C51單片機微型控制器是系統(tǒng)的控制中心，人機交互部分通過CPU接收按鍵得到外部發(fā)送的指令，包含PWM控制的頻率、步進電機運行的方向以及速度等方面的信息。同時，微處理器經過對信號指令解析之后對硬件電路和步進電機發(fā)出執(zhí)行命令。系統(tǒng)設計方案如圖1所示。

圖1 整體硬件結構

2 基于THB6128的硬件電路的設計

2.1 單片機控制單元

本文所使用的微處理器核心式STC系列單片機STC89C51。該處理器內含有可編程Flash程序存儲器、存儲器ROM和RAM、全雙工異步通信模塊UART、SPI以及8位模數(shù)轉器AD等模塊。有ISP(In-System Programming)，無需專用編程器[15]。該單片機已完全能滿足電機的驅動控制。單片機的兩個端口分別接細分驅動器THB6128的PWM控制端CLK和方向控制端CW，另有5個端口分別接獨立按鍵控制調節(jié)單片機PWM輸出占空比，以調節(jié)步進電機的速度。

為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，本文采用隔離電路的策略來增加系統(tǒng)的抗干擾能力。光耦元器件TLP-521是基于光敏器件的開關特性，可以實現(xiàn)高速開關量傳遞的器件。因此本文利用該光電隔離器將輸入的外部脈沖信號與IO口隔離開，使得外部開關量的和IO口的傳遞變化不影響單片機控制系統(tǒng)的性能，從而提高系統(tǒng)的可靠性。電路接口電路設計如圖2所示。這里的R7、R8為上拉電阻，為達到限流的作用，這里電流大小為10 mA左右。

圖2 光電隔離電路

2.2 基于芯片THB6128的細分驅動電路的設計

THB6128芯片具有芯片內部集成度高，外圍電路極其簡單，可靠性極高。電子工程師在使用該芯片時，只需要需要設定斬波頻率，衰減模式，復位信號即可。為了達到穩(wěn)定驅動的目的，芯片對電機采用電流驅動的方式進行細分控制。

THB6128的斬波頻率通過OSC1口設定，斬波電路輸出信號的頻率直接影響電機噪聲的大小。在實際應用中，考慮電機產生的熱量和本身噪聲大小的的影響，一般會選擇合適的電路輸出斬波頻率。在噪聲方面，信號輸出頻率與電機噪聲成反比。相反的，電機產生的熱量卻與斬波電路的輸出頻率成正比。結合不同的應用電路，經驗上電路輸出頻率域其對應的電容通常選擇在100～470pF之間。經過實驗測試，該系統(tǒng)電路選擇220 pF效果較好。斬波頻率由OSC1端端子連接的電容，依據(jù)下面的公式設定。

(1)

COSC1為220 pF時，F(xiàn)CP=220 kHz。在THB6128的3種衰減模式中。在混合式衰減模式中，通常慢衰減和快衰減通常由4:1的比例關系組成。在實際應用過程中，為了避免出現(xiàn)震動、高噪音以及定位不準確問題，通常根據(jù)電機的速度不同，選擇不同的衰減。即高速時選擇快衰減，低速時選擇慢衰減。通過控制THB6128芯片上的H橋開關管的控制模式，使電機進入不同的衰減模式。這里的混合衰減是指電機先工作在快速衰減模式，然后再進入慢速衰減的工作模式。系統(tǒng)可以通過控制FDT端口的輸入電壓來達到實現(xiàn)衰減模式的目的。首先端口電壓VFDT小于0.8 V時，芯片進入快衰減模式，而VFDT的值在1.1 V和3.1 V時則進入混合衰減模式，在端口電壓大于3.5 V是進入慢衰減模式。

本設計中，輸入電壓VFDT設定為2.5 V，即選擇混合衰減模式。復位信號通過RESET管腳設定，THB6128采用的是低電平復位。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本設計采用上電復位方式。VREF為電機電流設定端口，調整此端電壓即可設定驅動電流值的大小。

芯片的細分數(shù)可以通過M1、M2、M3三個端口進行的三選一譯碼選擇得到。即M1M2M3的二進制數(shù)值從000變化到111，其細分數(shù)也從1變化到1/128。

本系統(tǒng)采用的是THB6128的八細分模式，將M1、M2通過上拉電阻接5 V電源，M3接地，即選擇八細分。電機得到脈沖運轉的過程中會產生熱量，溫度過高將會影響實際應用，通過半流鎖定可以降低發(fā)熱。即在沒有脈沖輸入的時候，電流自動降為原來的一半，通過這種方法來降低電機和驅動器的發(fā)熱，達到使系統(tǒng)節(jié)能穩(wěn)定的作用芯片THB6128的OSC2管腳可以用來實現(xiàn)控制保持通電電流切換時間的功能。保持電流時間(Tdown)的大小由OSC2端子的電容充放電時間決定，具體計算公式如下:

Tdown=COSC2×0.4 × 109(s)

(2)

在本電路系統(tǒng)里，設定保持電流通電的時間常數(shù)為Tdown=0.6 s，根據(jù)式(2)可知COSC2容量值設定為1500pF。

為了芯片使用的安全，THB6128芯片內部進行了保護電路設置，即首先使電路工作在待機模式，對電路進行檢測，當檢測出電路處于短路狀態(tài)時，芯片進入關斷輸出狀態(tài)。等待延時之后，對電路再次進行檢測，如果發(fā)現(xiàn)仍然有短路的情況，則輸出進入固定待機模式。以達到防止對電源對地短路導致芯片損壞。

THB6128對電機的控制，系統(tǒng)只需要通過單片機模擬脈沖，向CLK脈沖輸入端輸入脈沖實現(xiàn)對電機的速度和電機的啟停等的控制。

圖3 THB6128驅動器電路

THB6128驅動器電路如圖3所示。引腳M1、M2和M3采用編碼的形式選擇步進電機的細分基準，本系統(tǒng)中步進電機最大細分數(shù)為1/128。端口CW電機轉動方向控制端。改變CLK時鐘頻率輸入端時鐘頻率可以有效控制步進電機轉動速度。 DOWN為通電鎖定時輸出端, 鎖定進入待機模式時，電機電流會被鎖定在0.35 A，降低電流，可防止驅動器過熱。

FDT為衰減模式選擇電壓輸入端，根據(jù)驅動芯片的設置的特點，F(xiàn)DT上分的電壓不同即表示不同的衰減模式不同。同時電機的速度不同，選擇的衰減模式不同，高速時選擇快衰減，低速時選擇慢衰減。通過FDT口輸入電壓控制，在實際應用中，F(xiàn)DT端口電壓通過電阻分壓原理得到。本設計中，F(xiàn)DT輸入電壓設定在2.5 V，即選擇混合衰減模式。VREF為電機電流設定端，調整此端電壓即可設定驅動電流值。驅動電流:

(3)

Rs為NFA(B)外接檢測電阻。本設計中，VREF取1.0 V、Rs電阻為0.25 Ω，設定電流為IO=0.85A。

3 驅動程序設計

在硬件電路的基礎上，基于系統(tǒng)控制方法故得到如下程序流程圖，如圖4所示。主程序是一個順序執(zhí)行的無限循環(huán)任務。主程序開始時，先對硬件進行初始化以及軟件系統(tǒng)參數(shù)進行初始化設置。比如開機自檢以及電機初始化位置設置。電機的軟件驅動部分包含了電機額定負載的設定，即對于步進電機的最大負載設定極限輸出。

圖4 主程序流程圖

如果系統(tǒng)正常則進入是一個喂狗死循環(huán)，等待外部中斷信號指令的到來，否則啟動系統(tǒng)報警程序。當中斷服務信號來臨時，程序則跳轉進入中斷服務程序，即對應的步進電機細分驅動程序。在這里，系統(tǒng)遵循步進電機的位置轉矩與脈沖頻率的數(shù)量嚴格成正比。在步進電機控制過程中，軟件控制脈沖的個數(shù)、頻率以及繞組上電的順序就可以實現(xiàn)對電機位置、速度以及方向的控制。本軟件系統(tǒng)通過控制兩相混合式步進電機來驗證細分控制技術的效果。兩相混合式步進電機是更加常見的步進電機，它具有很高的步進頻率和快速響應的特點。所采用的兩相四線混合式步進電機，基本步角度為1.8°。由于步進電機的驅動要求的需要，電機不能和IO口直接相連。因此單片機需要直接控制驅動器THB6128來實現(xiàn)細分技術的控制。

對于電機的控制采用按鍵形式的人機對話的方式來實現(xiàn)，即4個鍵盤按鍵設定電機的初始位置和以及細分的形式。同時，單片機接收到外部人機接口命令后首先把與該指令對應的譯碼信息通過I/O口發(fā)送給驅動器上，響應當前的指令要求。

本文中斷服務程序采用模塊化思想設計，即根據(jù)具體的按鍵數(shù)進入對應的步進電機細分驅動程序。處理器上電后首先進入軟件服務主程序，每當有速度控制按鍵信號輸入時，就會產生中斷，在中斷服務子程序中判斷是否有速度反饋信號，如果沒有速度反饋信號，就直接執(zhí)行細分驅動程序，穩(wěn)步運行，如果有，就按照輸入的控制命令改變PWM輸出的占空比從而改變電機運行的速度，再調用細分驅動程序。

在細分驅動程序里，為了得到系統(tǒng)的循環(huán)磁場，使得步長進行均勻變化，假設每相繞組電流的參考正弦波階梯信號是理想的。在每相電流信號的中間態(tài)具有7個穩(wěn)態(tài)，但是經過細分之后，每相電流以1/4的步長進行上升或者下降。通過轉向角實現(xiàn)原始步長，其具體長度由步進電機細分的精度決定。該細分算法可以實現(xiàn)步進電機的平滑運行，最重要的是該算法大大消除了由于細分不均勻而引起的電機震動問題。

4 實驗結果

細分之前，輸入電機的脈沖為干擾很大的方波，如圖5所示。該信號電壓為12 V，電流為不超過1.2A。脈沖寬度調制的最大優(yōu)勢是通過調節(jié)脈沖的寬度來調節(jié)電流的大小，實際上是通過改變電流變化的速度來控制電機步進角度的精度。即步進電機的驅動細分實際上就是電流信號的變化速度的細分。通觀察細分之前的采樣信號進行分析對比，很明顯，該信號使步進電機的轉動角度很大，很容易引起電機的運動偏轉，造成控制系統(tǒng)更大的誤差。并且沒經過細分的電機運行起來顫動非常厲害，難以滿足諸如醫(yī)療設備等精度及平穩(wěn)性要求較高的應用領域。這種誤差還對電機的壽命產生不利的影響。本控制系統(tǒng)中采用恒幅電流矢量角度旋轉法就是利用電流相位放大的原理進行的。

圖5 不細分輸出的進入線圈的脈沖波形圖

圖6 經過細分后進入線圈的脈沖波形圖

恒幅電流矢量角度法的控制電路簡單，容易實現(xiàn)。然而，這種方法在實際應用中的最大的挑戰(zhàn)是輸出轉矩會隨著電流合成的矢量幅度方向發(fā)生變化，這就會引起控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。這種控制誤差容易導致細分角度的不均勻，這種不均勻容易引起步進電機的震動，從而影響控制系統(tǒng)位置的精度。本系統(tǒng)中，為了克服上述的問題，采用了控制相位電流變化的方法，使每一相繞組合成的矢量電流變化跟隨整個系統(tǒng)電流合成幅度的變化而變化，并且使二者變化一致。比如角度幅度旋轉變化法，這是一種恒定幅度電流旋轉變換的方法。

圖6給出了經過本細分控制系統(tǒng)后繞組后進行的二分之一細分的脈沖波形。如圖所示，很明顯細分之后，經過驅動器進入電機時的波形有明顯變化，脈沖呈現(xiàn)階梯狀分布，即該種模式實現(xiàn)對基本步角的二分之一細分，在此基礎之上的進一步細分控制會更加有保證，提高了步進電機的精度。同時大范圍的電機干擾信號的影響也大大減少。細分驅動系統(tǒng)電路實物如圖7所示。測試結果表明，經過細分之后的電機運行非常平穩(wěn)，電機的噪音也有所改善，明顯的電機噪聲比之前大幅減小。精度提高，系統(tǒng)各個性能都能達到預期效果。

圖7 系統(tǒng)測試電路

5 結論

本文以兩相混合式步進電機細分技術為研究對象，研究了兩相混合式步進電機細分驅動控制系統(tǒng)的整體系統(tǒng)結構方案。設計了基于單片機技術的步進電機細分技術軟硬件系統(tǒng)控制方案。采用細分驅動芯片THB6128驅動器的硬件電路核心，使用PWM控制技術可以實現(xiàn)步進電機的穩(wěn)定可靠和達到節(jié)能環(huán)保的目的。實驗結果表明，本文采用的PWM細分驅動技術和硬件驅動芯片相結合的方法不但實用有效，而且具有電路簡單，成本低廉的特點。