一種實用的步進電動機可變細分驅動控制器設計
李玲娟，劉景林，王燦（西北工業大學，陜西西安710072）
摘要：分析了步進電動機的脈寬調制式細分驅魂原理，針對二相混合式步進電動機，設計了一種基于AT89C51單片機的PWM恒轉矩可變細分驅動控制器，并詳細闡述了軟、硬件部分分的實現方法。實驗結果表明，該系統細分精度高、運行平穩、噪聲小、性價比高且非常實用。
關鍵詞：單片機；混合式步進電動機；細分驅動；PWM
中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A 文章編號：1004 -7018( 2008) 09 -0031 -04
O引言
混合式步進電動機集反應式和永磁式步進電動機的優點于一身，應用非常普遍。它不能簡單地直接接到普通的交直流電源上運轉，而需要專門的驅動器，在電機本體選定的情況下，控制器的好壞很大程度上影響著整個系統的運行性能。本文所設計的控制器以兩相混合式步進電動機運行特性為出發點，以AT89C51單片機和DAC0832為核心，帶多檔位細分和恒流等功能。它與混合式步進電動機配套可以大大地改善步進電動機的運行性能，拓寬其應用領域，經濟實用，通用性強。
1系統結構概述
系統由單片機控制電路、細分電路、斬波恒流電路、駔動與功率電路、邏輯綜合電路及保護電路組成。驅動器的控制核心采用AT89 C51。AT89C51通過對輸入信號判斷比較，輸出存儲器中給定電流波形的控制信號，信號經過DAC0832和放大器轉換為相應的模擬電壓信號，該信號和電機繞組中的電流經過采樣電阻轉換成的電壓信號進行比較，若反饋信號大于給定電壓，電路將功放管截止，反之使功放管導通來驅動步進電動機。D/A輸出不同的控制電壓，繞組中流過不同的電流值。結構框圖如圖l所示。
2脈寬調制式細分控制思想概述
兩相混合式步進電動機在低速運轉時存在振動和噪聲問題，這個缺點限制了它的應用領域。在電機本體既定的情況下，我們可以通過采用先進的控制技術來克服電機運行過程中的這個問題。實驗表明，采用斬波恒流驅動技術，可以基本消除低頻共振現象，采用細分驅動技術也可減小振動和噪聲，并且還可以提高電機的運轉精度。
在通常的步進電機驅動電路中，電機相繞組中通人的是方波信號，電流是跳變的。相應地就使得電機在運行時存在明顯的步進感，步距角較大。而細分控制就是使繞組中通人的電流階梯狀上升或下降，這樣在每次脈沖切換時，繞組電流并不是突變的。額定電流分成多少次切換，轉子就以多少步來完成一個原有的步距角。
本系統采用的是脈寬調制式細分控制，在圖1中實際上CAL環形分配器輸出的相控制信號并不是階梯波，而是脈寬調制信號( PWMl，PWM信號占空比越大，平均電流越大，不同占空比PWM信號相當于相應幅值的階梯波。PWM信號控制功放管工作于開關狀態，調節功放管的導通時間，控制電機相繞組中平均電流的大小。微步距PWM信號發生電路的示意圖如圖2所示。
3硬件電路設計
3 1單片機主控單元和D/A轉換電路
單片機AT89C51作為系統的主控單元，它接收外界按鍵給出的控制信號，包括細分檔位、運行脈沖頻率、正反轉和起/停等信號，然后輸出存儲器中相應的細分電流控制信號，再經過D/A轉換成模擬信號：
存儲器中的電流波形的數字信號是這樣計算的：對于兩相混合式步進電動機，要同時改變兩相電流/IA和/IB的大小，使電流合成矢量等幅均勻旋轉：所以細分控制函數采用下式：
實際中根據電機運行所要求的****細分數N，在零到****相電流之間按正弦方式劃分N個穩定的中間電流狀態，將對應每個狀態的二進制量化值存入E2PROM中。余弦狀態的量化值不需要另辟空間存儲，它跟正弦值只是相位互差90度，通過軟件即可實現。單片機主控單元和D/A轉換電路圖如圖3所示。
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