如何用软件实现步进电机细分驱动_步进电机_细分驱动

如何用软件实现步进电机细分驱动

2008/11/12 9:55:00

一、引言
        由于步进电机成本低，控制线路简单，调试方便，所以在许多开环控制系统中得到了广泛的应用。但是当步进电机转子运动频率达到其机械谐振点时，就会产生谐振和噪声。
      为了克服机械噪声可以改变驱动方式，步进电机的驱动方式一般分为单相激励、两相激励和半步激励等。单相激励时虽然具有输入功率小，温度不会升的太高的优点，但是由于振荡厉害，控制不稳，所以很少采用。两相激励、半步激励都可以提高平稳度，减小机械振荡。据此，采用细分驱动控制减小噪声是一种比较完善和理想的解决手段。

二、步进电机细分驱动原理
所谓细分驱动就是把机械步距角细分成若干个电的步距角，当转子从一个位置转到下一个位置的时候，会出现一些“暂态停留点”。这样使得电机启动时的过调量或者停止时的过调量就会减小，电机轴的振动也会减小，使电机转子旋转过程变得更加平滑，更加细腻，从而减小了噪声。

图1 电机驱动示意图
      首先介绍步进电机整步驱动，我们以两相混合式步进电机57BYB406为例，它的步距角为1.8°。该电机有A，B两相绕组，其中我们用C表示A通反向电流时的磁场-A，用D表示B通反向电流时的磁场-B。
      当分别给各相绕组通电时，各相绕组产生的旋转磁场如下：仅有A相导通时，旋转磁场指向A;仅有B相导通时，旋转磁场指向B;仅有C相导通时，旋转磁场指向C;仅有D相导通时，旋转磁场指向D。依次为各相绕组通电，每切换一次，旋转磁场矢量转过90°，电机转过一个步距角1.8°。当旋转磁场矢量转过360°时，电机转过一个齿距，这种工作方式称为整步工作。
      如果改变上述加电过程，采用四相八拍工作，即通电顺序依次为：

此工作方式称半步工作，旋转磁场的矢量变化如图2所示。每改变一次通电状态，旋转磁场的矢量转过45°。

图2 四细分驱动磁场矢量图
同理，旋转磁场转过360°，电机转过一个齿距。
由半步原理给予启发，如果让旋转磁场矢量每次转过22.5°，这样就实现了四细分驱动。其旋转磁场矢量变化如图3所示。

图3 步进电机四细分驱动磁场矢量图
为了使电机输出转距大小一致，也就是使电机匀速转动，我们控制流入A，B，C，D各相电流的大小，具体按公式sin2α+cos2α=1来计算。图4给出了四细分驱动时各相电机输入电流值的变换曲线。

图4 四细分驱动转距均匀输出原理图

三、细分驱动在喷膜机的应用
1、喷膜机总体设计
喷膜机中X方向细分驱动控制如图5所示。这里我们采用8052微处理机，它是增强的MCS-51系列单片机，具有8K字节的ROM，256字节的RAM。8位DA转换器AD7524通过锁存器与单片机的数据线相连，构成步进电机的脉冲信号发生器。如果该脉冲信号驱动能力不够大，可以在DA转换器之后加一级放大器。产生的脉冲信号加在驱动器NJM3770的VR引脚，用来驱动步进电机。

图5 喷膜机X方向控制图
      2、脉冲分配器的设计
      在喷膜机的设计中，我们采用软件的方法实现脉冲分配器。将电机四细分驱动脉冲数据存储在内存中，如表1所示。当电机逆时针方向运转时，自上而下走表索取控制量;当电机顺时针方向运转时，自下而上走表索取控制量，这样就可以控制电机上的电流的大小。其中控制量的最高位是方向控制信号，低7位存储电机脉冲信号的大小。
      如何实现7位数据的数模转换呢?这里介绍两种方法实现DA转换。第一种方法的思想是：脉冲信号的大小用8位表示，但要求存储的任何数据的最高位都为零，这样就可以将DA转换器的最高位直接接地，用最高位存储方向控制信号。为了使存储数据的最高位始终为零，就必须使数字信号的最大值不超过01111111，即模拟信号的大小最大为-VREF（127/256）。为了得到所需要的电压值须将参考电压VREF增大一倍。这样锁存器的最高位Q7表示方向位，接NJM3770的Phase引脚，锁存器的Q0～Q6顺次接DA转换器的D0～D6，DA转换器的最高位接地。
表1 电机四细分驱动脉冲数据

第二种方法的思想是：数据仅用7位表示，留下一位表示方向位。在设计中使锁存器的Q0～Q6分别接AD7524的D1～D7，AD7524的D0位接地，锁存器的Q7接NJM3770的Phase引脚。这种方法使得实际输出的数据与理论所需数据之间会产生误差，误差率为1/256。在喷膜机的设计Vr=5V，V误差=0.0195V，由于误差很小，不会产生很大的影响，所以采用第二种方法。查看电机的参数表得知电流值Im=0.7A，所以我们在设计当中，应该使电机中的电流不能大于0.7A。当RS=0.68Ω，VR=5V时，通过公式Im=（VR×0.080）/RS计算得到Im=0.588A，满足设计要求。通过微调AD7524的参考电阻RREF，可以微调电机脉冲信号的大小，从而控制电机绕组上的电流值。按表1计算出四细分驱动所需要的脉冲信号的大小，A，B两项绕组上的脉冲变化如图6所示。由于方向控制信号由AD7524的Q7位控制，所以绕组上的电流值只表现大小。

图6 A，B两相电机脉冲时序图
3、保护电路的设计
步进电机驱动器采用NJM3770，它由一个与LS-TTL兼容的逻辑输入端，一个电流感应器，一个单稳态多频振荡器，一个高压H桥输出端组成。具有以下特点：只能驱动步进电机的一相，半步或者全步控制，开关模式的双极性直流驱动，电流控制范围5～1800mA，电压范围10～45V，过热保护，Phase为方向控制信号，高电平时电流自MA→MB;低电平时，电流自MB→MA。I0，I1控制电机上的电流输出，变化情况如表2。
表2 I0，I1控制电机上的电流输出，变化情况

      在驱动器的设计中，如果电机上的电流太大，电机会发热，而且绕组上电流变化过程中会产生很大的感应电动势，这样就会损坏电机，所以应该具有相应的保护措施。这里可以通过控制I0，I1来控制电机上的电流大小，我们可以采用60%的电流输出，即I0=1，I1=0。并且要设计反向电流回路，来对感应电动势进行抑制。一般方法是采用浪涌吸收电路，最简单的办法就是将一个二极管与各绕组并联，二极管的正向电压较低，吸收效果较好，但二极管的通电时间长，不适用于高速开关电路。另外，二极管把绕组上的感应电压直接短路，阻尼效果很强，电机的高频特性变坏，因此这种结构限于低速运行的电路，在喷膜机的设计中，对电机的速度要求不高，因此采用这种方法。
      4、细分驱动软件设计
      步进电机有启动频率和最高频率两个参数，为了使电机转动更加平稳，应该有电机加速和减速程序，从而使得电机很快的到达运行频率而且不会出现失步。四细分驱动流程图见图7。首先将表1放入内存中，STEPNUML，和STEPNUMH分别存放步数的低8位和高8位，PHASE是方向控制信号，R0存放表的项数。按照电机转动方向决定R0的初始值，依次从表中读取数值，每发送一个数据，电机走一步（0.45°），然后延时一段时间。根据延时的长短，可以控制电机的速度，连续读取数据，电机就转动起来了。