以80C196MC單片機(jī)為控制核心的步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩?cái)卦O(shè)計(jì)

引言

步進(jìn)電機(jī)是一種將離散的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置,它具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在當(dāng)今工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，但其步矩角較大，一般為1.5o~3o，往往滿足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)是減小步距角、提高步進(jìn)分辨率、增加電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性的一種行之有效的方法。本文在選擇了合理的電流波形的基礎(chǔ)上，提出了基于Intel 80C196MC單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案，其運(yùn)行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

細(xì)分電流波形的選擇及量化

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。因此，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩均勻細(xì)分控制，必須合理控制電機(jī)繞組中的電流，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部合成磁場的幅值恒定，而且每個(gè)進(jìn)給脈沖所引起的合成磁場的角度變化也要均勻。我們知道在空間彼此相差2p/m的m相繞組，分別通以相位上相差2p/m而幅值相同的正弦電流，合成的電流矢量便在空間作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且幅值保持不變。這—點(diǎn)對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)來說比較困難，因?yàn)榉磻?yīng)式步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場只與繞組電流的絕對(duì)值有關(guān)，而與電流的正反流向無關(guān)。以比較經(jīng)濟(jì)合理的方式對(duì)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)步距角的任意細(xì)分，繞組電流波形宜采用如圖1所示的形式。

圖中，a為電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的角度。ib滯后于ia， ic超前于ia。此時(shí)，合成電流矢量在所有區(qū)間b＝Ime-ja，從而保證合成磁場幅值恒定，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。且步進(jìn)電機(jī)在這種情況下也最為平穩(wěn)。將繞組電流根據(jù)細(xì)分倍數(shù)均勻量化后，所得細(xì)分步距角也是均勻的。為了進(jìn)一步得到更加均勻的細(xì)分步距角，可通過實(shí)驗(yàn)測取一組在通入量化電流波形時(shí)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分步距的數(shù)據(jù)，然后對(duì)其誤差進(jìn)行差值補(bǔ)償，求得實(shí)際的補(bǔ)償電流曲線。這些工作大部分由計(jì)算機(jī)來完成。

步進(jìn)電機(jī)是一種將離散的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置,它具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在當(dāng)今工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，但其步矩角較大，一般為1.5o~3o，往往滿足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)是減小步距角、提高步進(jìn)分辨率、增加電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性的一種行之有效的方法。本文在選擇了合理的電流波形的基礎(chǔ)上，提出了基于Intel 80C196MC單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案，其運(yùn)行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

圖1 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)繞組電流波形

圖2 硬件系統(tǒng)原理框圖

細(xì)分電流波形的選擇及量化

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。因此，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩均勻細(xì)分控制，必須合理控制電機(jī)繞組中的電流，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部合成磁場的幅值恒定，而且每個(gè)進(jìn)給脈沖所引起的合成磁場的角度變化也要均勻。我們知道在空間彼此相差2p/m的m相繞組，分別通以相位上相差2p/m而幅值相同的正弦電流，合成的電流矢量便在空間作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且幅值保持不變。這—點(diǎn)對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)來說比較困難，因?yàn)榉磻?yīng)式步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場只與繞組電流的絕對(duì)值有關(guān)，而與電流的正反流向無關(guān)。以比較經(jīng)濟(jì)合理的方式對(duì)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)步距角的任意細(xì)分，繞組電流波形宜采用如圖1所示的形式。

圖中，a為電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的角度。ib滯后于ia， ic超前于ia。此時(shí)，合成電流矢量在所有區(qū)間b＝Ime-ja，從而保證合成磁場幅值恒定，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。且步進(jìn)電機(jī)在這種情況下也最為平穩(wěn)。將繞組電流根據(jù)細(xì)分倍數(shù)均勻量化后，所得細(xì)分步距角也是均勻的。為了進(jìn)一步得到更加均勻的細(xì)分步距角，可通過實(shí)驗(yàn)測取一組在通入量化電流波形時(shí)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分步距的數(shù)據(jù)，然后對(duì)其誤差進(jìn)行差值補(bǔ)償，求得實(shí)際的補(bǔ)償電流曲線。這些工作大部分由計(jì)算機(jī)來完成。在取得校正后的量化電流波形之后，以相應(yīng)的數(shù)字量存儲(chǔ)于EEPROM中的不同區(qū)域，量化的程度決定了細(xì)分驅(qū)動(dòng)的分辨率。

斬波恒流細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案及硬件實(shí)現(xiàn)

斬波恒流細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案的原理為：由單片機(jī)輸出EEPROM中存儲(chǔ)的細(xì)分電流控制信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，再與取樣信號(hào)進(jìn)行比較，形成斬波控制信號(hào)，控制各功率管前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)繞組中電流的閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)步距的精確細(xì)分。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

控制電路

控制電路主要由80C196MC單片機(jī)、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲(chǔ)器及可編程鍵盤/顯示控制器Intel-8279等組成，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、啟/停等的控制，既可由鍵盤輸入，也可以通過串行通信接口由上位機(jī)設(shè)置。狀態(tài)顯示提供當(dāng)前通電相位、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)等信息顯示，并將工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。傳感器(霍爾傳感器)用于檢測計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值。單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心其主要功能是輸出EEPROM中存儲(chǔ)的細(xì)分電流控制信號(hào)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。根據(jù)轉(zhuǎn)換精度的要求，D/A 轉(zhuǎn)換器既可以選擇8位的，亦可選擇12位的。本控制系統(tǒng)選用的是8位D/A轉(zhuǎn)換器MAX516，MAX51*個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器與4個(gè)比較器組合在單個(gè)的 CMOS IC上，4個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器共享一個(gè)參考輸入電壓VREF。每個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓均可采用下式表示：

VDACi=VREFN/256

N＝0，l，......，255，對(duì)應(yīng)于8位的DAC的輸入碼D0—D7(此處為細(xì)分電流控制信號(hào))。通過調(diào)節(jié)VREF的變化范圍，便可調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中電流的幅值。

功率驅(qū)動(dòng)電路

工作中，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分電流控制信號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換值Ui輸入到MAX516內(nèi)部各比較器COMPi的同向輸入端，繞組電流取樣信號(hào)Vi輸入到COMPi的反向輸入端。斬波恒流驅(qū)動(dòng)采用固定頻率的方波與比較器輸出信號(hào)調(diào)制成斬波控制信號(hào)，控制繞組的通電時(shí)間，使反饋電壓Vi始終跟隨D/A轉(zhuǎn)換輸出的控制電壓 Ui。合理選擇續(xù)流回路就可使繞組中的電流值在一定的平均值上下波動(dòng)，且波動(dòng)范圍不大。

調(diào)制用方波信號(hào)頻率為21.74KHz，由80C196MC的P6.6/PWM0端產(chǎn)生，且各相是同頻斬波，不會(huì)產(chǎn)生差拍現(xiàn)象，所以消除了電磁噪聲。為防止因比較器漂移或干擾導(dǎo)致功率開關(guān)管誤導(dǎo)通，讓斬波控制信號(hào)和相序控制信號(hào)相與后控制功放管。

當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，并聯(lián)RC、快恢復(fù)續(xù)流二極管D、繞組L及主電源構(gòu)成泄放回路。與單純電阻釋能電路相比，RC釋能電路使功耗和電流紋波增加較小，而電流下降速度大大加快。電流取樣信號(hào)由精密電流傳感放大器MAX471完成。當(dāng)繞組電流流過其內(nèi)部35mΩ精密取樣電阻時(shí)，經(jīng)內(nèi)部電路變化，轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號(hào)：

VOUT=ROUT×(ILOAD×500mA/A)

其中ROUT為MAX471外部調(diào)壓電阻，阻值按設(shè)計(jì)要求選定。ILOAD為流過精密電阻的相繞組電流。MAX471同時(shí)具有電流檢測與放大功能，從而大大方便了整個(gè)電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試。

功率開關(guān)管(功放管)是功放電路中的關(guān)鍵部分，影響著整個(gè)系統(tǒng)的功耗和體積。由于所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器主要用來驅(qū)動(dòng)額定電流3A、額定電壓27V以下的步進(jìn)電機(jī)，故選用高頻VMOS功率場效應(yīng)晶體管IRF540(VDS=100V，RDS(on)=0.052W，ID=27A)作為開關(guān)管。IRF540導(dǎo)通電阻很小，因此，即使電機(jī)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，該VMOS管殼本身的溫度也比較低，無須外加風(fēng)扇。

為了提高步進(jìn)電機(jī)的工作可靠性，消除電機(jī)電感性繞組的串?dāng)_，本系統(tǒng)無論從驅(qū)動(dòng)部分還是反饋部分都進(jìn)行了隔離。驅(qū)動(dòng)隔離采用高速光電耦合器6N137為隔離元件，一方面可以實(shí)現(xiàn)前級(jí)控制電路同步進(jìn)電機(jī)繞組的隔離；另一方面使功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)變得方便可靠。反饋通道的濾波部分采用無源低通濾波器，其作用是高速衰減繞組(電感線圈)在開關(guān)時(shí)截止頻率以上的瞬時(shí)高頻電壓信號(hào)，從而避免控制電路做出太迅速的反應(yīng)，可以有效地防止步進(jìn)電機(jī)的振蕩。線性光耦合電路的作用是將濾波后的采樣電阻反饋信號(hào)線性地傳輸給比較器。

軟件設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軟件主要由主控程序、細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序、鍵處理程序、顯示數(shù)據(jù)處理及顯示驅(qū)動(dòng)程序、通信監(jiān)控程序等部分組成。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的主控制程序控制整個(gè)程序的流程，主要完成程序的初始化、中斷方式的設(shè)置、計(jì)數(shù)器工作方式的設(shè)置及相關(guān)子程序的調(diào)用等。初始化包括8279 各寄存器、8279的顯示RAM、80C916MC的中斷系統(tǒng)及內(nèi)部RAM等。在80C196MC的各中斷中，使用了INT15、INT14和INT13 這三個(gè)中斷，其中，INT15為高優(yōu)先級(jí)。在運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)有停止鍵按下時(shí)，則INT15中斷服務(wù)程序?qū)1關(guān)閉，從而使步進(jìn)電機(jī)停止。T1控制每一步的步進(jìn)周期，該服務(wù)程序基本上只作重置定時(shí)器和置標(biāo)志位的操作，而其它操作均在主程序中完成。主程序流程圖見本刊網(wǎng)站。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序中，細(xì)分電流控制信號(hào)的輸出采用單片機(jī)片內(nèi)EEPROM軟件查表法，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。其流程圖如圖4所示。

步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制是通過改變電機(jī)通電相序來實(shí)現(xiàn)的。為達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)啟/停運(yùn)行過程的快速和精確控制，從其動(dòng)力學(xué)特性出發(fā)，推導(dǎo)出符合步進(jìn)電機(jī)矩頻特性的曲線應(yīng)該是指數(shù)型運(yùn)行曲線，并將這一曲線量化后，存入EEPROM。步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過程中，每個(gè)通電狀態(tài)保持時(shí)間的長短，由當(dāng)前速度對(duì)應(yīng)的延時(shí)時(shí)間值決定。

圖3 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制主程序流程圖

結(jié)語

本文提出并實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)均勻細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，最高細(xì)分達(dá)到256細(xì)分，能適應(yīng)大多數(shù)中小微型步進(jìn)電機(jī)的可變細(xì)分控制、較高細(xì)分步距角精度及平滑運(yùn)行等要求。大量新型元器件的采用，使所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器具有體積小、細(xì)分精度高、運(yùn)行功耗低、可靠性高、可維護(hù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)軟件功能豐富，通用性強(qiáng)，從而使控制系統(tǒng)更加靈活。

該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)用于“全自動(dòng)高精度線材切割機(jī)”的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了較高的穩(wěn)速精度和切割精度，慣性小，運(yùn)行可靠，取得了滿意的效果。