步進電機微步驅動位置閉環控制的研究

惲為民  侯琳棋（哈爾濱工業大學）

    【摘  要】首先闡述步進電機的微步驅動原理及實現技術，然后提出微步驅動位置閉環控制的原理及控制程序流程，并介紹了8031單片機構成的控制器，最后給出試驗結果。

【敘  詞】步進電動機／微步驅動位置自動控制／閉環控制單片微型機

    步進電機主要有反應式、永磁式、混合式等3種類型，其優點是，數字式控制；成本低；低轉子慣量；無漂移、無累積定位誤差；能迅速加減速和停機；永磁式和混合式在停電時有較高定位轉矩。主要缺點是，轉換效率低；功率小；分辨率低；速度低；有丟步現象和低頻振蕩現象。

    隨著步進電動機微型計算機控制技術的發展，步進電動機的工作性能得到很大提高。微步技術可使每步細分成125微步或更多。閉環控制技術提高了步進電機的位置控制精度、運行穩定性和平均輸出扭矩[2]。

    微步(microstep)的概念是在70年代中期提出的。進行了研究[3 4]。微步數和徽步精度主要由控制器和步進電動機的特性決定。相   電流的選擇有2種方法：①基于轉矩一位移曲線。②基于把連續的磁場離散化。

    涉進電動機閉環控制方法主要有核步法位置閉環控制和超前角速度閉環控制。

   數N_s=8，轉子齒數N_r=6，則每轉步數為：

  步矩角為：

  R=360度/N=15度

  當A相通電時，轉子停在與A相定子對準的狀態，見圖1。當A相通電轉為B相通電時轉子逆時針轉過15度。當A相通電轉為AB相通電時（見圖2），轉子逆時針轉過7.5度，定位于AB相中間的一個電平衡點，當B相通電時，電流不是由零直接升至額定值IB，而是把其分成n個單位電流：

    圖1 A相通電使B相電流隨這個階梯遞增，通電狀態對于圖1所示四相步進電機，定子齒的變化為：

   

   

    那么轉子將在每個微步狀態AB,達到一個新的電平衡點，ABi與ABf．之間即構成一微步，A相二整步過程中的微步過程為：

    則四相微步驅動的步距角公式為：

   式中n-微步數，N——每轉步數

    微步驅動技術實現的關鍵是各相繞組電流的選擇。一般按靜轉矩位移曲線選擇電流，但是實際的步進電動機靜轉矩位移曲線并不是圖3所示的理想正弦曲線。另外，相電流和靜轉矩的關系也不能精確建立。因此，為了實際的運用和計算機控制器的便利，一般均勻劃分相電流，但可能引起步矩角的不均勻，這可通過均化手段進行改善。

    本文實驗系統中的步進電動機用作機器人的某一關節驅動器，采用四相混合式步進電動機，步矩角1.8度，兩相通電微步驅動時，各相電流波形見圖4。

  

    當電機通以圖4所示從左至右的各相電流時，步進電動機順時針微步運行。變化的階梯電流對應的數字值存在E—PROM中，本文采用八位D/A轉換，故數據范圍為0～255，微步數也為1～255，實驗系統中建立了1、5、10、25、50、100、200、255籌8種微步數，最小的步矩為：

    微步驅動是軟硬件密切結合的技術。微步驅動電路的核心包括D/A轉換電路、譯碼選通電路和壓控恒流電源。單片機控制電路原理見圖5，微步驅動電源電路見圖6。

    控制器輸出不同的數據給D/A轉換電路，通過壓控恒流電源可以獲得階梯相電流。- Vref（參考電壓）的變化范圍控制DAC轉換的輸出電壓范圍，從而也控制了步進電動機的運行電流范圍，其優點是不需調節微步驅動電源中的限流電阻來控制運行電流的****值，從而避免了多余的功率損耗。

    圖5中采用與8031完全兼容的8253進行計數，8253有3個16位定時器／計數器，由C/T₀計碼盤順時針的脈沖數，C/T₁計碼盤逆時針的脈沖數，采祥時用閂鎖操作進行飛讀，經少量軟件處理即可獲得相對于零點****位置。

    4097為雙路八通道模擬開關，選通端A、B、C分別和8031的P1.0、P1.1、P1.2相接。輸入端有3種電壓：-V_L，+V_h，+V_m，-V_L是高截止電壓為負，接通-V_L相的電流為零； 接通+Vh相的電流為****，+V_h為可調，與 +V_m的****值保持一致，+V_m為D/A轉換的輸出，接通該相形成階梯電流。為實現圖4的相電流波形圖，模擬開關選通序列如附表所示。圖6為微步驅動專用電源，運算放大器A和達林頓三極管Q₁及限流電阻R構成一壓控電流源，電機繞組L_a在A的反饋環外，其關系為：

  

  在反饋環節中，采祥電流和控制負載電流相差一基極電流：

    式中HFE-Q₁的動態放大倍數

    因此，選用高放大倍數的達林頓功放管可提高電流控制精度。

    步進電動機是數字式驅動器，由于自身就具有積分補償作用，因此位置控制時沒有累積誤差。步進電動機位置閉環控制框圖見圖7。

    本文采用核步法實現微步驅動位置閉環控制，核步法原理是用光電編碼器（或其它轉角傳感器）的輸出信號計算步進電動機的累積微步數，并不斷進行判斷，當步進電動機的運行微步數等于指令微步數時，停止運行或運行新的指令值。微步驅動位置控制精度可以達到0.5個微步距角，且有很好的穩定性。實驗系統中的步進電動機微步精度較高，同時需要光電碼盤有匹配的精度。

   

    微步驅動位置閉環控制主程序流程見圖8。軟件設計要盡量簡明,否則，計算時間過長，影響步進電機的****運行頻率。

    4結  論

    根據機器人動態平衡實驗系統的要求，步進電機在微步數為50的狀態下運行，光電碼盤5 0 0 0脈沖/r，達到位置控制精度0. 036度，在3r/min的低速運行時沒有出現振蕩現象。

    通過研究，可得出結論，用單片機可設計功能靈活的步進電動機控制器，實現步進電動機微步驅動位置閉環控制，從而大大提高步進電動機的位置控制精度和低頻運行性能，在機器人、數控機床等場合，有廣泛的應用前景。

圖8控制主程序流程

 

    印度的SRI Katragadda電子有限公司最近推出的步進電動機包含有8種混合型和永磁型產品，每秒能激勵零步到數干步，轉矩1mNm～10Nm，準確度小于±0.005度。

    （陳善海譯1993，2）