单片机的步进电机均匀细分驱动器的实现

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单片机的步进电机均匀细分驱动器的实现

步进电机电机细分电流波形反应式步进电机斩波恒流细分驱动 MAX516 内部结构

2004年9月(1)

摘要  通过合理选择步进电机相绕组细分电流波形,提出并介绍了基于AT89C51单片机控制的斩波恒流均匀细分驱动方案及实现技术。运行结果表明所设计的驱动系统具有细分精度高、运行平稳且噪声小、功耗低、可靠性好、性价比高等优点。

关键词   恒转矩   斩波恒流  均匀细分   驱动电路

0 引言

   步进电机是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械装置,它输出的角位移与输入的脉冲个数成正比,转速与脉冲频率成正比,是一种输出与输入脉冲对应的增量驱动元件。它具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点,已经在当今工业上得到广泛的应用。但其步距角较大,一般为1.5º~3º,往往满足不了某些高精密定为、精密加工等方面的要求。实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运行平稳性行之有效的方法之一。步进电机细分运行时,细分的均匀性是首先要考虑的。目前报道的步进电机细分驱动器大都采用量化的梯形波、正弦波作为细分驱动的驱动电流波形,但事实上这些电流波形在一般的步进电机上均不能得到满意的细分精度。

   本文在选择合理的电流波形的基础上,提出了基于AT89C51单片机控制的斩波恒流细分驱动方案,其运行功耗小,可靠性高,通用性好,具有很强的实用性。

1 电机细分电流波形的选择及量化

  步进电机的细分控制,从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制,使步进电机内部的合成磁场成为均匀的圆形旋转磁场,从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下,合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小,相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。因此,要实现对步进电机的恒转矩均匀细分控制,必须合理控制电机绕组中的电流使步进电机内部合成磁场的幅值恒定,而且每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化也要均匀。我们知道在空间疲此相差2 /m的 相绕组,分别通以相位上相差2 /m而幅值相同的正弦电流,则合成的电流矢量便在空间作旋转运动,且幅值保持不便。这一点对于反应式步进电机来说比较困难,因为反应式步进电机的旋转磁场只与绕组电流的绝对值有关,而与电流的正反流向无关。以比较经济合理的方式对三相反应式步进电机实现步距角的任意细分,绕组电流波形宜采用如图1所示的形式。

                    图1 反应式步进电机绕组电流波形

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其中: 为电机转子偏离参考点的角度。 滞后于 超前于 。此时,合成电流矢量在所有区间为 ,从而保证合成磁场幅值恒定,实现电机的恒转矩运行,而步进电机在这种情况下也最为平稳。将绕组电流根据细分倍数均匀量化后,所得细分步距角也是均匀的。为了进一步得到更加均匀的细分步距角,可通过实验测取一组在通入量化电流波形时的步进电机细分步距的数据,然后对其误差进行插值补偿,求得实际的补偿电流曲线,这些工作大部分由计算机来完成。在取得校正后的量化电流波形之后,以相应的数字量储存于EEPROM中的不同区域,量化的程度决定了细分驱动的分辨率。

2 斩波恒流细分驱动方案及硬件实现

   斩波恒流细分驱动方案的原理为:由单片机输出EEPROM中存储的细分电流控制信号,经D/A转换成模拟电压信号,再与取样信号进行比较形成斩波控制信号以控制各功率管前级驱动电路的导通和关断,实现绕组中电流的闭环控制,达到实现步距的精确细分的目的。系统原理框图如图2所示。

                          图2 硬件系统原理框图

2.1 控制电路

控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及可编程键盘/显示控制器Intel-8279等组成,单片机是控制系统的核心。受控步进电机的细分倍数、运行脉冲频率、正反转、运行速度、单次运行线位移、启/停等的控制既可由键盘输入,也可以通过与上位机的串行通信接口由上位机设置。状态显示提供当前通电相、相电流大小、电机运行时间、正反转、当前运行速度、线位移及相关计数等的显示,并将工作状态和数据传送给上位机。传感器用于检测计数器的当前值。单片机的主要功能是输出EEPROM中存储的细分电流控制信号进行D/A转换。根据转换精度的要求,D/A转换器既可以选择8位的,也可选择12位的。本控制系统选用的是8位D/A转换器MAX516。MAX516把4个D/A转换器与4个比较器组合在单个的CMOS  IC(DIP24封装)上,4个D/A转换器共享一个参考输入电压 。每个转换器的输出电压均可采用下式表示:

               

式中:N=0,1,…255,对应于8位DAC的输入码 (此处为细分电流控制信号)。通过调节 的变化范围,便可调节步进电机绕组中电流的幅值。MAX516内部结构如图3所示。

                    图3  MAX516 内部结构和管脚图

 

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