兩相混合式步進電機高精度細分驅(qū)動器的設(shè)計與實現(xiàn)

劉媛媛

(無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214028)

步進電動機是數(shù)字控制的電動機，具有較好的低速運行特性和較寬的調(diào)速范圍，無累積誤差，能夠準(zhǔn)確移動和定位、壽命長及抗干擾性能好等獨特優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化設(shè)備等領(lǐng)域[1～5]。

由于步進電機的結(jié)構(gòu)和運行特點，使它存在整步驅(qū)動控制時有步距角較大、轉(zhuǎn)速不夠平穩(wěn)，低速時容易產(chǎn)生振動、機械噪聲較大及工作精度低等缺點[6]。為了克服步進電機自身的缺陷，實現(xiàn)在整個電機控制系統(tǒng)中的精密控制，除了要求電機自身性能外，另一個主要因素取決于所選擇的驅(qū)動器。目前市面上性能優(yōu)越的步進電機價格較昂貴。所以一般選擇性價比稍高的步進電機配套性價比高的驅(qū)動器來滿足精密控制的需求。步進電機的細分技術(shù)可以消除電機的低頻振蕩，并提高電機的輸出轉(zhuǎn)矩和步距的均勻度，是一種較為完善的解決方式[7～9]。筆者結(jié)合步進電機的電流矢量恒幅細分驅(qū)動原理，設(shè)計由STM32F103C8單片機、AD5336芯片和功放電路組成的二相混合步進電機的高精度細分驅(qū)動器，給出了電機驅(qū)動的硬件電路、軟件流程和校正程序。

步進電機實現(xiàn)細分是通過對勵磁繞組中電流合成矢量的控制來實現(xiàn)的。勵磁繞組中的電流合成矢量如圖1所示，其中IA﹑IB﹑IH分別表示步進電機兩相A、B的電流矢量和兩相電流的合成矢量。

圖1 勵磁繞組中的電流合成矢量示意圖

合成的磁場矢量幅值決定了電機的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，相鄰的兩個合成磁場矢量間的夾角決定了步距角的大小。步進電機任意一相的電流變化，都會引起電流合成矢量幅值的不斷變化，步進電機的轉(zhuǎn)距亦隨之變化，這將影響更高的細分?jǐn)?shù)。為了得到盡可能的圓形合成磁場并保證步距角變化均勻，繞組電流的參考信號采用近似正弦的階梯狀波形。對兩相混合式步進電機而言，需同時改變IA和IB兩相電流的大小，從而保證電流合成矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)。步進電機的細分控制函數(shù)為：

IA=IM·cosθ
IB=IM·sinθ

(1)

其中IM為合成電流幅值。細分驅(qū)動就是用設(shè)定的數(shù)字化電壓量模擬為正余弦電壓，然后細分步進電機在一個周期內(nèi)所受的模擬信號，確保每個細分點對應(yīng)于一個確定的數(shù)字量化值。根據(jù)步進電機所要求的最大細分?jǐn)?shù)N，按正弦方式在零和最大相電流之間劃分出N個電流中間狀態(tài)，同時將每個中間狀態(tài)對應(yīng)的量化值存入E2PROM，步進電機所要求的細分?jǐn)?shù)可通過軟件設(shè)定。比如，電機運行要求細分?jǐn)?shù)為256，就是將1/4周期分成了256個點對應(yīng)的數(shù)字量，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出給電機繞組的電流信號就逼近正弦模擬連續(xù)信號。

2 驅(qū)動器設(shè)計方案

根據(jù)輸入設(shè)定的細分?jǐn)?shù)，微處理器輸出存儲在E2PROM中對應(yīng)的細分電流正弦表，微處理器輸出的控制數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為模擬量的電壓信號，后經(jīng)運算電路放大和功率電路放大，兩相繞組分別輸出正弦和余弦變化電流，采用電流合成矢量的方式，驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)，從E2PROM中的正弦表中每輸入一個對應(yīng)數(shù)字量，就完成一個微步距角的旋轉(zhuǎn)，同時引入由采樣電阻取樣得到的繞組電壓信號進行負(fù)反饋，以保證電壓放大的穩(wěn)定性。驅(qū)動器的硬件框圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動器硬件框圖

3 硬件電路

3.1 微處理器控制電路

微處理器控制部分是以32位ARM內(nèi)核的微處理器STM32F103C8為核心構(gòu)建的電路，其主要功能是根據(jù)鍵盤輸入設(shè)置參數(shù)及控制數(shù)據(jù)等，輸出E2PROM中存儲的量化的細分電流控制字，通過微處理器IO口輸出對應(yīng)的數(shù)字量，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為逼近給定電流正弦波形的階梯波信號。同時回讀采集數(shù)據(jù)由LED模塊顯示，實現(xiàn)步進電機的實時控制。

微處理器通過I2C總線讀入按照設(shè)定細分?jǐn)?shù)對應(yīng)的正弦表，作為微處理器與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊連接端口的并行輸出數(shù)字量；E2PROM存入多種步進電機的細分正弦驅(qū)動表，按不同的細分?jǐn)?shù)，通過I2C總線與微處理器通信讀入到微處理器。筆者所選的E2PROM芯片為24C04。

3.2 D/A轉(zhuǎn)換芯片

D/A轉(zhuǎn)換芯片主要是把微處理器的數(shù)字驅(qū)動量轉(zhuǎn)換為逼近正弦波形的模擬信號，經(jīng)運算和功率放大后驅(qū)動步進電機。所以D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇決定了步進電機細分方案的技術(shù)要求。

D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。筆者選用AD5336作為D/A轉(zhuǎn)換芯片，該芯片具有4個十位精度可單獨控制的D/A輸出通道，功耗低，全部數(shù)模轉(zhuǎn)換都通過一個十位并行IO口與微處理進行讀寫操作，D/A轉(zhuǎn)換的切換時間僅6μs，完全滿足本設(shè)計對電機高精度細分和快速調(diào)速的需求；而且該芯片帶負(fù)載能力強，每個D/A通道均帶有軌到軌輸出的緩沖型放大器；該芯片采用雙重緩沖的輸入鎖存架構(gòu)和高速總線的存取時間，可實現(xiàn)兩路數(shù)模轉(zhuǎn)換，分別寫入和輸出數(shù)據(jù)，并能實現(xiàn)同時一次性寫出的功能，完全滿足高速并行輸入和并行輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換要求。AD5336所帶的4個電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可直接輸出電壓0～5V，再經(jīng)兩級運算放大和功放放大為0～12V，實現(xiàn)對電機的兩相繞組控制，減少電路設(shè)計的復(fù)雜性。

圖3 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

3.3 放大驅(qū)動電路

放大驅(qū)動電路主要由運算放大電路和功率放大電路兩部分組成。運算放大電路部分是以具有極低噪聲、極低失調(diào)電壓和漂移、低輸入偏置電流的高精度運放AD8674為核心組成的兩級運算放大電路，在實現(xiàn)驅(qū)動電壓兩級放大的同時也實現(xiàn)了驅(qū)動信號的兩級低通濾波。第一級運算放大電路完成了低通濾波截止頻率5.3kHz，放大倍數(shù)2.00；第二級運算放大完成了低通濾波截止頻率1.1kHz，放大倍數(shù)1.21。功率放大電路是以O(shè)PA544為核心構(gòu)建的電路。OPA544具有響應(yīng)速度快、線性度好及失真小等特點，最大輸出電流2A，提供2倍增益，同時引入由采樣電阻R16取樣得到的繞組電壓信號進行負(fù)反饋，以保證電壓放大的穩(wěn)定性。其中A相放大驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 A相放大驅(qū)動電路

4 驅(qū)動軟件

驅(qū)動器的控制程序主要由主程序、細分驅(qū)動子程序、按鍵處理程序、數(shù)據(jù)處理和顯示驅(qū)動程序5部分組成。

主程序(圖5)實現(xiàn)整個程序的流程控制，完成參量初始化、計數(shù)器工作方式和中斷方式設(shè)置、子程序調(diào)用、鍵盤輸入運行參數(shù)的接收、采集數(shù)據(jù)的回讀、LED連接及顯示等功能，另設(shè)看門狗代碼防止程序“跑飛”，提高運行程序的可靠性。

圖5 主程序流程

細分驅(qū)動子程序中，細分控制信號的輸出采用STM32F103C8對片外E2PROM進行循環(huán)查表法。將兩相繞組的加電順序的控制代碼編制成一張表，同時兩相輸出的細分值也編制成一個表，通過I2C總線的讀入將其存入片外E2PROM中，通過一個地址指針的設(shè)置完成正反向?qū)?yīng)表讀取，正向時將地址指針賦予表首址，隨后逐一遞加地址指針；反向時將其賦予表首址加上當(dāng)前步長的偏移量，然后逐一遞減地址指針，即可從表中輸出加電相選的對應(yīng)代碼，通過微處理器的并行接口數(shù)模轉(zhuǎn)換后驅(qū)動運算放大電路，以及各相細分值的輸出[10]。

5 測試與結(jié)果分析

假定完成一次正弦變化的周期為T，必須要求從數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出的前一個T/4內(nèi)，數(shù)字量輸入由低到高；下一個T/4內(nèi)，數(shù)字量輸入由高到低。如此循環(huán)輸入數(shù)字量，使電壓按給定的逼近正弦波變化的階梯電平輸出。

如果將放大處理的驅(qū)動信號作用于兩相混合步進電機的繞組，并保證兩個繞組的起始相序差為1/4周期，則可得到兩相步進電機細分驅(qū)動繞組電流，波形如圖6所示，可以看出該電流波形完全滿足步進電機恒轉(zhuǎn)矩細分驅(qū)動所要求的兩相繞組的電流。

6 結(jié)束語

基于STM32F103C8單片機、AD5336芯片和功放電路所構(gòu)成的二相混合步進電機的高精度細分驅(qū)動器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用高精度的電壓基準(zhǔn)源，驅(qū)動放大電路引入的電壓負(fù)反饋，以及步進電機采用的軟件控制算法與修正程序，較好地克服了步進電動機非線性的影響，確保了高精度細分的實現(xiàn)。該驅(qū)動器的實施，滿足了較高的細分步距角精度及平滑運行等要求，提高了步進電機的運行性能。

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