單片機對儀表步進(jìn)電機的細分控制

　　儀表步進(jìn)電機

　　步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機某相線(xiàn)圈加一脈沖信號，電機則轉過(guò)一個(gè)步距角。這一線(xiàn)性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機來(lái)控制變得非常簡(jiǎn)單。雖然步進(jìn)電機已被廣泛地應用，但步進(jìn)電機并不像普通的直流電機、交流電機那樣在常規下使用。它必須在雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動(dòng)電路等組成控制系統下使用。

　　儀表步進(jìn)電機屬于步進(jìn)電機中體積、功耗較小的類(lèi)別，可以由單片機或專(zhuān)用芯片的引腳直接驅動(dòng)，不需外接驅動(dòng)器，因而在儀表中被用于指針的旋轉控制。

　　需求分析

　　本方案中使用的儀表具有如下特點(diǎn)和設計參數：

　　●指針響應靈敏、走位準確，即收到驅動(dòng)脈沖后不能丟步;

　　●指針轉動(dòng)平穩，即指針從當前位置到目標位置之間的走位要平穩，正、反轉都不能出現抖動(dòng);

　　●兩相、步距角10o、轉動(dòng)范圍300o。

　　根據技術(shù)參數可知，采用兩相四拍和兩相八拍時(shí)的步距角為10o和5o，在300o的范圍內只能作30和60個(gè)刻度劃分，在實(shí)際應用中，會(huì )發(fā)現指針步距角不能滿(mǎn)足要求而且抖動(dòng)不可避免。為了實(shí)現指針高精度的準確走位和平穩運轉，要對步進(jìn)電機步距進(jìn)行高分辨率細分，這也是設計的難點(diǎn)所在。

　　步進(jìn)電機的細分技術(shù)是一種電子阻尼技術(shù)，其主要目的是提高電機的運轉精度，實(shí)現步進(jìn)電機步距角的高精度細分。其基本概念為：步進(jìn)電機通過(guò)細分驅動(dòng)器的驅動(dòng)，其步距角變小了。如驅動(dòng)器工作在10細分狀態(tài)時(shí)，其步距角只為電機固有步距角的十分之一。以?xún)上嗨呐臑槔寒旊姍C工作在不細分的整步狀態(tài)時(shí)，控制系統每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電機轉動(dòng)10o;而用細分驅動(dòng)器工作在10細分狀態(tài)時(shí)，電機只轉動(dòng)了1o。細分功能完全是由驅動(dòng)器或單片機靠精確控制電機的相電流所實(shí)現的，與電機本身無(wú)關(guān)。

　　細分原理 

　　兩相四拍A、B、/A、/B的驅動(dòng)狀態(tài)表如表1所示。

　　兩相八拍A、B、/A、/B的驅動(dòng)狀態(tài)表如表2所示。

　　從以上的分析可知，兩相四拍是整步運轉不細分，兩相八拍其實(shí)是2細分。合成的磁場(chǎng)和電流矢量夾角以90o和45o的方式變化，如此往復循環(huán)。

　　參考相關(guān)資料后不難發(fā)現：細分驅動(dòng)技術(shù)常用近似正弦波的階梯型電流代替矩形波電流，產(chǎn)生一個(gè)微步旋轉磁場(chǎng)，從而帶動(dòng)電機以更小的步距角轉動(dòng)，其電流波形和旋轉磁場(chǎng)矢量如圖1所示。同時(shí)由于正弦波電流變化平滑，使電機運行更平穩、噪聲更小。即通過(guò)改變相鄰兩相(A，B)電流的大小和方向(A相正弦波和B相余弦波矢量疊加)，以改變合成磁場(chǎng)的夾角，通過(guò)電流矢量合成的方式來(lái)控制步進(jìn)電機運轉。

　　硬件設計和軟件編程

　　根據細分原理可知，對于兩相步進(jìn)電機，需要同時(shí)控制兩組線(xiàn)圈的電壓大小和方向才能達到合成電流矢量控制的目的，控制線(xiàn)圈的電流大小有兩種方案：其一是通過(guò)單片機寫(xiě)入數字量，由數模轉換器件輸出模擬電壓，控制線(xiàn)圈電流大小;其二是通過(guò)某些單片機自帶的PWM引腳輸出占空比可控的方波，用其交流有效值控制線(xiàn)圈電流大小。很顯然，按照正弦規律變化的占空比決定了線(xiàn)圈電流大小也按照相同的正弦規律變化。線(xiàn)圈的電壓施加方向可以通過(guò)邏輯門(mén)電路來(lái)實(shí)現。