轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)控制及細(xì)分驅(qū)動(dòng)

文/劉生攀

1　概述

為了保證電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，提高定位精度，在第二階段的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)中，采用了細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，通過高集成度的單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片予以實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了小型化和高精度的目的。

2　控制功能

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)初始零位檢測、180°轉(zhuǎn)位和回到零位的功能。

初始零位檢測為轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的初始定位，每一次尋北過程開始，都需要驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)以檢測初始零位，并且為了減小結(jié)構(gòu)上的機(jī)械間隙，每次定位到零位前的旋轉(zhuǎn)方向都需要與180°轉(zhuǎn)位的方向一致。

180°轉(zhuǎn)位只需要通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)向固定的方向旋轉(zhuǎn)固定的角度。

回到零位對定位精度要求較低，只需要向與180°轉(zhuǎn)位的方向相反的方向旋轉(zhuǎn)并檢測到零位即可。

3　細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)普遍采用電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)的細(xì)分方法。對于兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，通過控制兩相繞組的相電流，使得電流的合成矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)，從而使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩矢量在空間恒幅均勻旋轉(zhuǎn)，達(dá)到細(xì)分步進(jìn)電機(jī)步距角的目的。

對于兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，通過給A、B兩相繞組供給正余弦電流，就可以實(shí)現(xiàn)電流的合成矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)。繞組電流變化曲線為：

式中：

ia——為A相繞組電流；

ib——為B相繞組電流；

iM——為繞組峰值電流；

x——為角度參數(shù)。

當(dāng)x變化90°時(shí)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)整步距角，將90°的變化量均勻細(xì)分，細(xì)分?jǐn)?shù)越多，則分辨率越高。從理論上講，如果繞組中電流與理論控制電流相等，并且繞組中電流與磁場幅值成線性關(guān)系，則精度可以精確達(dá)到整步距角除以細(xì)分?jǐn)?shù)。

4　控制及驅(qū)動(dòng)原理框圖

實(shí)現(xiàn)的原理框圖見圖1。

圖1　

5　控制及驅(qū)動(dòng)說明

5.1　單片機(jī)

為實(shí)現(xiàn)細(xì)分函數(shù)，單片機(jī)必須有2路D/A轉(zhuǎn)換器。為實(shí)現(xiàn)光電檢測，必須有1路中斷。為盡可能減少外圍元器件數(shù)量，減小驅(qū)動(dòng)控制占用的空間，選用了CYGNAL公司的C8051F124,具有以下優(yōu)點(diǎn)：

5.1.1高速8051 微控制器內(nèi)核

（1）流水線指令結(jié)構(gòu)；70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；

（2）使用內(nèi)部集成PLL 時(shí)速度可達(dá)100或50MIPS。

5.1.2片內(nèi)自帶存儲(chǔ)器

（1）8448 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（8K +256）；

（2）128KB 或64KB 分區(qū)FLASH；可以在系統(tǒng)編程，扇區(qū)大小為1024 字節(jié)。

5.1.32 個(gè) 12 位 DAC

（1）可用定時(shí)器觸發(fā)同步輸出，用于產(chǎn)生無抖動(dòng)波形。

5.1.4數(shù)字外設(shè)豐富

（1）8 個(gè)8 位寬端口I/O（100TQFP），耐5V；

（2）4 個(gè)8 位寬端口I/O（64TQFP），耐5V；

（3）可同時(shí)使用的硬件SMBus(I2CTM兼容)、SPITM 及兩個(gè)UART 串行端口；

（4）可編程的16 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列，有6 個(gè)捕捉/比較模塊；

（5）5 個(gè)通用16 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器；

（6）專用的看門狗定時(shí)器；雙向復(fù)位引腳。

5.1.5自帶時(shí)鐘源（1）內(nèi)部精確振蕩器：24.5MHz；（2）可靈活配置的PLL；

（3）外部振蕩器：晶體、RC、C、或外部時(shí)鐘。

從以上優(yōu)點(diǎn)可以看出，對實(shí)現(xiàn)最小系統(tǒng)而言，使用C8051F124是非常合適的，除了需要提供供電電源外，不需要其它任何外圍元器件就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位控制的所有功能。

5.2　指令接收

指令接收使用C8051F124的P0.3I/O口線實(shí)現(xiàn)，由于使用一條I/O口線實(shí)現(xiàn)3種類型指令接收，因此需要制定內(nèi)部協(xié)議，采用不同的指令脈沖寬度代表不同類型的指令。在單片機(jī)程序中通過內(nèi)部定時(shí)器檢測接收到的指令脈沖寬度進(jìn)行指令判別，然后執(zhí)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)位子程序。

5.3　光電檢測

為實(shí)現(xiàn)零位檢測，選用了ST135型光耦進(jìn)行光電檢測，ST135型光耦包括一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)接收器，當(dāng)發(fā)光二極管的光路被擋片遮擋時(shí)，接收器將輸出一個(gè)下降沿。將接收器的輸出接入單片機(jī)的0號(hào)中斷，當(dāng)產(chǎn)生中斷時(shí)，停止電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而定位到零位點(diǎn)。

6　細(xì)分函數(shù)實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)，需要實(shí)現(xiàn)式（1）所示的電流函數(shù)波形。對驅(qū)動(dòng)器而言，對電機(jī)繞組電流的控制是采用給定參考電壓實(shí)現(xiàn)的。而參考電壓的輸出可以采用單片機(jī)的D/A通道輸出，則電機(jī)繞組的正余弦電流可以根據(jù)細(xì)分?jǐn)?shù)量化為D/A電壓數(shù)據(jù)，采用查表法輸出。在轉(zhuǎn)位驅(qū)動(dòng)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了62的減速比，根據(jù)總體精度，對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)細(xì)分?jǐn)?shù)采用64細(xì)分即可以滿足要求。因此，對式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)換如下：

式中：

ia——為A相繞組電流；

ib——為B相繞組電流；

UM——為參考峰值電壓；

R——為取樣電阻阻值；

n——為微步數(shù)，0～255。

7　結(jié)論

本文對步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行了闡述，并通過工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)制作了轉(zhuǎn)位控制驅(qū)動(dòng)電路及程序，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)控制和驅(qū)動(dòng)電路的小型化和高精度，具有較高的實(shí)用價(jià)值。