基于單片機(jī)PWM功能的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分設(shè)計(jì)
景立群1，李勇2，季學(xué)武1
(1清華大學(xué)，北京100084；2．北京航空航天大學(xué)，北京100083)
摘要：兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角一般為1.8。／O .9。，為適應(yīng)微小角度控制，需要對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角進(jìn)行細(xì)分�；趩纹瑱C(jī)的PwM功能，設(shè)計(jì)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器；分析了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組電感對(duì)電流暫態(tài)效應(yīng)的影響，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角24細(xì)分；設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)硬件電路和程序進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器及編寫(xiě)的控制程序可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)，且誤差在可以接受的范圍內(nèi)。
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；細(xì)分；PwM
中圖分類(lèi)號(hào)：TM383．6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：：1004-7018(2008)08—0014—03
0引言
目前，常用計(jì)算機(jī)數(shù)字處理技術(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組電流進(jìn)行脈寬調(diào)制(PwM)控制，獲得按一定規(guī)律改變其幅值和方向的繞組電流，將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一個(gè)整步均分為若干個(gè)更細(xì)的微步，這種細(xì)分方法已經(jīng)較成熟，但是硬件電路一般較復(fù)雜。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，可利用單片機(jī)的PwM功能產(chǎn)生變占空比信號(hào)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分控制，這種辦法可以實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的位置控制，省去了傳統(tǒng)細(xì)分電路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊以及電流檢測(cè)控制模塊，只是在程序算法上比較復(fù)雜，需要做較多的調(diào)試工作。
本文基于設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器，首先分析了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分原理，然后將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組線圈等效為串聯(lián)的電感和電阻，通過(guò)暫態(tài)效應(yīng)分析，得出線圈上作用的一定占空比的電壓信號(hào)與電機(jī)線圈中電流的關(guān)系。利用這個(gè)關(guān)系，對(duì)電機(jī)線圈加以一定占空比的信號(hào)，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的線圈電流矢量產(chǎn)生一定順序的微轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分。最后通過(guò)制作簡(jiǎn)易試驗(yàn)裝置驗(yàn)證細(xì)分的效果，結(jié)果表明步距角誤差在可接受的范圍內(nèi)。
1控制電路的組成
圖l為所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)示意圖。由單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293處理后直接控制兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。圖中A、B兩個(gè)端口用PwM口控制，輸入一定占空比的電壓波形；A-、B-兩個(gè)端口用i／O口控制，輸人高低電平。
可見(jiàn)，硬件控制電路中投有數(shù)模轉(zhuǎn)換及細(xì)分驅(qū)動(dòng)芯片，節(jié)約了成本。
2工作原理及控制策略
軟件實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的工作原理是通過(guò)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組的電流，使其在零到****值之間有多個(gè)穩(wěn)定的中間狀態(tài)，從而使相應(yīng)的磁場(chǎng)矢量方向和幅值都有一系列穩(wěn)定的中間狀態(tài)，使得電機(jī)中的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生一系列與磁場(chǎng)矢量方向?qū)?yīng)的中間態(tài)。據(jù)此，通過(guò)單片機(jī)控制各相繞組電流可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩方向的離散變化，從而實(shí)現(xiàn)步距角的細(xì)分。
按上述分析，為使線圈中合成電流近似按正弦規(guī)律變化，設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)四個(gè)端口的電壓波形如2a所示，兩相繞組的合成電壓波形(為繪圖清晰，以五細(xì)分為例)如圖2b所示。如果能夠確定兩相繞組電流和A、B兩端口占空比的關(guān)系，就能通過(guò)程序?qū)Σ竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行可控的細(xì)分控制。
下面從理論上分析占空比與電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系。電機(jī)的每相繞組可以等效為電阻和電感的串聯(lián)組合。驅(qū)動(dòng)芯片1293的內(nèi)部相當(dāng)于兩個(gè)H橋 [2]，每個(gè)H橋控制電機(jī)的一個(gè)繞組。H橋和繞組連接后的等效電路如圖3所示，其中A1、A2由A端口控制，Al與A端口電平相同，d2與4l反相；_4-l、4—2由  A-端口控制，A一1與4端口電平相同，A一2與A一1反相。以下取圖2中的2(1、2、4、7分析方法一致)狀態(tài)進(jìn)行分析，3(3、5、6、8分析方法一致)狀態(tài)分析方法與此類(lèi)似。2狀態(tài)下，d端口為一定占空比變化的波形，A一端口始終為低。設(shè)在t∈[O，αT]，A1、A-2為高電平，三極管導(dǎo)通vl、v4導(dǎo)通，繞組中電流逐漸變大，電流流向如圖3中1所示；t∈[αT，T]，A2、A一2為高電平，三極管v3、v4導(dǎo)通，此時(shí)電流不能突變，電流流向如圖3中2所示。經(jīng)分析，電路的電壓方程為[3]：
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