如何用軟件實現步進電機細分驅動_步進電機_細分驅動

如何用軟件實現步進電機細分驅動

2008/11/12 9:55:00

一、引言
        由于步進電機成本低，控制線路簡單，調試方便，所以在許多開環控制系統中得到了廣泛的應用。但是當步進電機轉子運動頻率達到其機械諧振點時，就會產生諧振和噪聲。
      為了克服機械噪聲可以改變驅動方式，步進電機的驅動方式一般分為單相激勵、兩相激勵和半步激勵等。單相激勵時雖然具有輸入功率小，溫度不會升的太高的優點，但是由于振蕩厲害，控制不穩，所以很少采用。兩相激勵、半步激勵都可以提高平穩度，減小機械振蕩。據此，采用細分驅動控制減小噪聲是一種比較完善和理想的解決手段。

二、步進電機細分驅動原理
所謂細分驅動就是把機械步距角細分成若干個電的步距角，當轉子從一個位置轉到下一個位置的時候，會出現一些“暫態停留點”。這樣使得電機啟動時的過調量或者停止時的過調量就會減小，電機軸的振動也會減小，使電機轉子旋轉過程變得更加平滑，更加細膩，從而減小了噪聲。

圖1 電機驅動示意圖
      首先介紹步進電機整步驅動，我們以兩相混合式步進電機57BYB406為例，它的步距角為1.8°。該電機有A，B兩相繞組，其中我們用C表示A通反向電流時的磁場-A，用D表示B通反向電流時的磁場-B。
      當分別給各相繞組通電時，各相繞組產生的旋轉磁場如下：僅有A相導通時，旋轉磁場指向A;僅有B相導通時，旋轉磁場指向B;僅有C相導通時，旋轉磁場指向C;僅有D相導通時，旋轉磁場指向D。依次為各相繞組通電，每切換一次，旋轉磁場矢量轉過90°，電機轉過一個步距角1.8°。當旋轉磁場矢量轉過360°時，電機轉過一個齒距，這種工作方式稱為整步工作。
      如果改變上述加電過程，采用四相八拍工作，即通電順序依次為：

此工作方式稱半步工作，旋轉磁場的矢量變化如圖2所示。每改變一次通電狀態，旋轉磁場的矢量轉過45°。

圖2 四細分驅動磁場矢量圖
同理，旋轉磁場轉過360°，電機轉過一個齒距。
由半步原理給予啟發，如果讓旋轉磁場矢量每次轉過22.5°，這樣就實現了四細分驅動。其旋轉磁場矢量變化如圖3所示。

圖3 步進電機四細分驅動磁場矢量圖
為了使電機輸出轉距大小一致，也就是使電機勻速轉動，我們控制流入A，B，C，D各相電流的大小，具體按公式sin2α+cos2α=1來計算。圖4給出了四細分驅動時各相電機輸入電流值的變換曲線。

圖4 四細分驅動轉距均勻輸出原理圖

三、細分驅動在噴膜機的應用
1、噴膜機總體設計
噴膜機中X方向細分驅動控制如圖5所示。這里我們采用8052微處理機，它是增強的MCS-51系列單片機，具有8K字節的ROM，256字節的RAM。8位DA轉換器AD7524通過鎖存器與單片機的數據線相連，構成步進電機的脈沖信號發生器。如果該脈沖信號驅動能力不夠大，可以在DA轉換器之后加一級放大器。產生的脈沖信號加在驅動器NJM3770的VR引腳，用來驅動步進電機。

圖5 噴膜機X方向控制圖
      2、脈沖分配器的設計
      在噴膜機的設計中，我們采用軟件的方法實現脈沖分配器。將電機四細分驅動脈沖數據存儲在內存中，如表1所示。當電機逆時針方向運轉時，自上而下走表索取控制量;當電機順時針方向運轉時，自下而上走表索取控制量，這樣就可以控制電機上的電流的大小。其中控制量的最高位是方向控制信號，低7位存儲電機脈沖信號的大小。
      如何實現7位數據的數模轉換呢?這里介紹兩種方法實現DA轉換。第一種方法的思想是：脈沖信號的大小用8位表示，但要求存儲的任何數據的最高位都為零，這樣就可以將DA轉換器的最高位直接接地，用最高位存儲方向控制信號。為了使存儲數據的最高位始終為零，就必須使數字信號的最大值不超過01111111，即模擬信號的大小最大為-VREF（127/256）。為了得到所需要的電壓值須將參考電壓VREF增大一倍。這樣鎖存器的最高位Q7表示方向位，接NJM3770的Phase引腳，鎖存器的Q0～Q6順次接DA轉換器的D0～D6，DA轉換器的最高位接地。
表1 電機四細分驅動脈沖數據

第二種方法的思想是：數據僅用7位表示，留下一位表示方向位。在設計中使鎖存器的Q0～Q6分別接AD7524的D1～D7，AD7524的D0位接地，鎖存器的Q7接NJM3770的Phase引腳。這種方法使得實際輸出的數據與理論所需數據之間會產生誤差，誤差率為1/256。在噴膜機的設計Vr=5V，V誤差=0.0195V，由于誤差很小，不會產生很大的影響，所以采用第二種方法。查看電機的參數表得知電流值Im=0.7A，所以我們在設計當中，應該使電機中的電流不能大于0.7A。當RS=0.68Ω，VR=5V時，通過公式Im=（VR×0.080）/RS計算得到Im=0.588A，滿足設計要求。通過微調AD7524的參考電阻RREF，可以微調電機脈沖信號的大小，從而控制電機繞組上的電流值。按表1計算出四細分驅動所需要的脈沖信號的大小，A，B兩項繞組上的脈沖變化如圖6所示。由于方向控制信號由AD7524的Q7位控制，所以繞組上的電流值只表現大小。

圖6 A，B兩相電機脈沖時序圖
3、保護電路的設計
步進電機驅動器采用NJM3770，它由一個與LS-TTL兼容的邏輯輸入端，一個電流感應器，一個單穩態多頻振蕩器，一個高壓H橋輸出端組成。具有以下特點：只能驅動步進電機的一相，半步或者全步控制，開關模式的雙極性直流驅動，電流控制范圍5～1800mA，電壓范圍10～45V，過熱保護，Phase為方向控制信號，高電平時電流自MA→MB;低電平時，電流自MB→MA。I0，I1控制電機上的電流輸出，變化情況如表2。
表2 I0，I1控制電機上的電流輸出，變化情況

      在驅動器的設計中，如果電機上的電流太大，電機會發熱，而且繞組上電流變化過程中會產生很大的感應電動勢，這樣就會損壞電機，所以應該具有相應的保護措施。這里可以通過控制I0，I1來控制電機上的電流大小，我們可以采用60%的電流輸出，即I0=1，I1=0。并且要設計反向電流回路，來對感應電動勢進行抑制。一般方法是采用浪涌吸收電路，最簡單的辦法就是將一個二極管與各繞組并聯，二極管的正向電壓較低，吸收效果較好，但二極管的通電時間長，不適用于高速開關電路。另外，二極管把繞組上的感應電壓直接短路，阻尼效果很強，電機的高頻特性變壞，因此這種結構限于低速運行的電路，在噴膜機的設計中，對電機的速度要求不高，因此采用這種方法。
      4、細分驅動軟件設計
      步進電機有啟動頻率和最高頻率兩個參數，為了使電機轉動更加平穩，應該有電機加速和減速程序，從而使得電機很快的到達運行頻率而且不會出現失步。四細分驅動流程圖見圖7。首先將表1放入內存中，STEPNUML，和STEPNUMH分別存放步數的低8位和高8位，PHASE是方向控制信號，R0存放表的項數。按照電機轉動方向決定R0的初始值，依次從表中讀取數值，每發送一個數據，電機走一步（0.45°），然后延時一段時間。根據延時的長短，可以控制電機的速度，連續讀取數據，電機就轉動起來了。