基于80C196MC的步進(jìn)電機恒轉矩

關(guān)鍵詞：80C196MC單片機；恒轉矩；斬波恒流；均勻細分

引言
步進(jìn)電機是一種將離散的電脈沖信號轉化成相應的角位移或線(xiàn)位移的電磁機械裝置,它具有轉矩大、慣性小、響應頻率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在當今工業(yè)上得到廣泛的應用，但其步矩角較大，一般為1.5o~3o，往往滿(mǎn)足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。實(shí)現細分驅動(dòng)是減小步距角、提高步進(jìn)分辨率、增加電機運行平穩性的一種行之有效的方法。本文在選擇了合理的電流波形的基礎上，提出了基于Intel 80C196MC單片機控制的步進(jìn)電機恒轉矩細分驅動(dòng)方案，其運行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很強的實(shí)用性。

細分電流波形的選擇及量化
步進(jìn)電機的細分控制，從本質(zhì)上講是通過(guò)對步進(jìn)電機的勵磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機內部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉磁場(chǎng)，從而實(shí)現步進(jìn)電機步距角的細分。一般情況下，合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。因此，要想實(shí)現對步進(jìn)電機的恒轉矩均勻細分控制，必須合理控制電機繞組中的電流，使步進(jìn)電機內部合成磁場(chǎng)的幅值恒定，而且每個(gè)進(jìn)給脈沖所引起的合成磁場(chǎng)的角度變化也要均勻。我們知道在空間彼此相差2p/m的m相繞組，分別通以相位上相差2p/m而幅值相同的正弦電流，合成的電流矢量便在空間作旋轉運動(dòng)，且幅值保持不變。這—點(diǎn)對于反應式步進(jìn)電機來(lái)說(shuō)比較困難，因為反應式步進(jìn)電機的旋轉磁場(chǎng)只與繞組電流的絕對值有關(guān)，而與電流的正反流向無(wú)關(guān)。以比較經(jīng)濟合理的方式對三相反應式步進(jìn)電機實(shí)現步距角的任意細分，繞組電流波形宜采用如圖1所示的形式。
圖中，a為電機轉子偏離參考點(diǎn)的角度。ib滯后于ia，ic超前于ia。此時(shí)，合成電流矢量在所有區間b＝Ime-ja，從而保證合成磁場(chǎng)幅值恒定，實(shí)現電機的恒轉矩運行。且步進(jìn)電機在這種情況下也最為平穩。將繞組電流根據細分倍數均勻量化后，所得細分步距角也是均勻的。為了進(jìn)一步得到更加均勻的細分步距角，可通過(guò)實(shí)驗測取一組在通入量化電流波形時(shí)的步進(jìn)電機細分步距的數據，然后對其誤差進(jìn)行差值補償，求得實(shí)際的補償電流曲線(xiàn)。這些工作大部分由計算機來(lái)完成。在取得校正后的量化電引言
步進(jìn)電機是一種將離散的電脈沖信號轉化成相應的角位移或線(xiàn)位移的電磁機械裝置,它具有轉矩大、慣性小、響應頻率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在當今工業(yè)上得到廣泛的應用，但其步矩角較大，一般為1.5o~3o，往往滿(mǎn)足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。實(shí)現細分驅動(dòng)是減小步距角、提高步進(jìn)分辨率、增加電機運行平穩性的一種行之有效的方法。本文在選擇了合理的電流波形的基礎上，提出了基于Intel 80C196MC單片機控制的步進(jìn)電機恒轉矩細分驅動(dòng)方案，其運行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很強的實(shí)用性。

圖1 反應式步進(jìn)電機繞組電流波形

圖2 硬件系統原理框圖

細分電流波形的選擇及量化
步進(jìn)電機的細分控制，從本質(zhì)上講是通過(guò)對步進(jìn)電機的勵磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機內部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉磁場(chǎng)，從而實(shí)現步進(jìn)電機步距角的細分。一般情況下，合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。因此，要想實(shí)現對步進(jìn)電機的恒轉矩均勻細分控制，必須合理控制電機繞組中的電流，使步進(jìn)電機內部合成磁場(chǎng)的幅值恒定，而且每個(gè)進(jìn)給脈沖所引起的合成磁場(chǎng)的角度變化也要均勻。我們知道在空間彼此相差2p/m的m相繞組，分別通以相位上相差2p/m而幅值相同的正弦電流，合成的電流矢量便在空間作旋轉運動(dòng)，且幅值保持不變。這—點(diǎn)對于反應式步進(jìn)電機來(lái)說(shuō)比較困難，因為反應式步進(jìn)電機的旋轉磁場(chǎng)只與繞組電流的絕對值有關(guān)，而與電流的正反流向無(wú)關(guān)。以比較經(jīng)濟合理的方式對三相反應式步進(jìn)電機實(shí)現步距角的任意細分，繞組電流波形宜采用如圖1所示的形式。
圖中，a為電機轉子偏離參考點(diǎn)的角度。ib滯后于ia，ic超前于ia。此時(shí)，合成電流矢量在所有區間b＝Ime-ja，從而保證合成磁場(chǎng)幅值恒定，實(shí)現電機的恒轉矩運行。且步進(jìn)電機在這種情況下也最為平穩。將繞組電流根據細分倍數均勻量化后，所得細分步距角也是均勻的。為了進(jìn)一步得到更加均勻的細分步距角，可通過(guò)實(shí)驗測取一組在通入量化電流波形時(shí)的步進(jìn)電機細分步距的數據，然后對其誤差進(jìn)行差值補償，求得實(shí)際的補償電流曲線(xiàn)。這些工作大部分由計算機來(lái)完成。在取得校正后的量化電流波形之后，以相應的數字量存儲于EEPROM中的不同區域，量化的程度決定了細分驅動(dòng)的分辨率。

斬波恒流細分驅動(dòng)方案及
硬件實(shí)現
斬波恒流細分驅動(dòng)方案的原理為：由單片機輸出EEPROM中存儲的細分電流控制信號，經(jīng)D/A轉換成模擬電壓信號，再與取樣信號進(jìn)行比較，形成斬波控制信號，控制各功率管前級驅動(dòng)電路的導通和關(guān)斷，實(shí)現繞組中電流的閉環(huán)控制，從而實(shí)現步距的精確細分。系統原理框圖如圖2所示。
控制電路
控制電路主要由80C196MC單片機、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲器及可編程鍵盤(pán)/顯示控制器Intel-8279等組成，受控步進(jìn)電機的細分倍數、運行脈沖頻率、正反轉、運行速度、單次運行線(xiàn)位移、啟/停等的控制，既可由鍵盤(pán)輸入，也可以通過(guò)串行通信接口由上位機設置。狀態(tài)顯示提供當前通電相位、相電流大小、電機運行時(shí)間、正反轉、當前運行速度、線(xiàn)位移及相關(guān)計數等信息顯示，并將工作狀態(tài)和數據傳送給上位機。傳感器(霍爾傳感器)用于檢測計數器的當前值。單片機是控制系統的核心其主要功能是輸出EEPROM中存儲的細分電流控制信號進(jìn)行D/A轉換。根據轉換精度的要求，D/A轉換器既可以選擇8位的，亦可選擇12位的。本控制系統選用的是8位D/A轉換器MAX516，MAX516把4個(gè)D/A轉換器與4個(gè)比較器組合在單個(gè)的CMOS IC上，4個(gè)D/A轉換器共享一個(gè)參考輸入電壓VREF。每個(gè)轉換器的輸出電壓均可采用下式表示：
VDACi=VREFN/256
N＝0，l，......，255，對應于8位的DAC的輸入碼D0—D7(此處為細分電流控制信號)。通過(guò)調節VREF的變化范圍，便可調節步進(jìn)電機繞組中電流的幅值。
功率驅動(dòng)電路
工作中，步進(jìn)電機細分電流控制信號的D/A轉換值Ui輸入到MAX516內部各比較器COMPi的同向輸入端，繞組電流取樣信號Vi輸入到COMPi的反向輸入端。斬波恒流驅動(dòng)采用固定頻率的方波與比較器輸出信號調制成斬波控制信號，控制繞組的通電時(shí)間，使反饋電壓Vi始終跟隨D/A轉換輸出的控制電壓Ui。合理選擇續流回路就可使繞組中的電流值在一定的平均值上下波動(dòng)，且波動(dòng)范圍不大。
調制用方波信號頻率為21.74KHz，由80C196MC的P6.6/PWM0端產(chǎn)生，且各相是同頻斬波，不會(huì )產(chǎn)生差拍現象，所以消除了電磁噪聲。為防止因比較器漂移或干擾導致功率開(kāi)關(guān)管誤導通，讓斬波控制信號和相序控制信號相與后控制功放管。
當開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，并聯(lián)RC、快恢復續流二極管D、繞組L及主電源構成泄放回路。與單純電阻釋能電路相比，RC釋能電路使功耗和電流紋波增加較小，而電流下降速度大大加快。電流取樣信號由精密電流傳感放大器MAX471完成。當繞組電流流過(guò)其內部35mΩ精密取樣電阻時(shí)，經(jīng)內部電路變化，轉換為輸出電壓信號：
VOUT=ROUT×(ILOAD×500mA/A)
其中ROUT為MAX471外部調壓電阻，阻值按設計要求選定。ILOAD為流過(guò)精密電阻的相繞組電流。MAX471同時(shí)具有電流檢測與放大功能，從而大大方便了整個(gè)電路的設計與調試。
功率開(kāi)關(guān)管(功放管)是功放電路中的關(guān)鍵部分，影響著(zhù)整個(gè)系統的功耗和體積。由于所設計的驅動(dòng)器主要用來(lái)驅動(dòng)額定電流3A、額定電壓27V以下的步進(jìn)電機，故選用高頻VMOS功率場(chǎng)效應晶體管IRF540(VDS=100V，RDS(on)=0.052W，ID=27A)作為開(kāi)關(guān)管。IRF540導通電阻很小，因此，即使電機長(cháng)時(shí)間運轉，該VMOS管殼本身的溫度也比較低，無(wú)須外加風(fēng)扇。
為了提高步進(jìn)電機的工作可靠性，消除電機電感性繞組的串擾，本系統無(wú)論從驅動(dòng)部分還是反饋部分都進(jìn)行了隔離。驅動(dòng)隔離采用高速光電耦合器6N137為隔離元件，一方面可以實(shí)現前級控制電路同步進(jìn)電機繞組的隔離；另一方面使功率開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)變得方便可靠。反饋通道的濾波部分采用無(wú)源低通濾波器，其作用是高速衰減繞組(電感線(xiàn)圈)在開(kāi)關(guān)時(shí)截止頻率以上的瞬時(shí)高頻電壓信號，從而避免控制電路做出太迅速的反應，可以有效地防止步進(jìn)電機的振蕩。線(xiàn)性光耦合電路的作用是將濾波后的采樣電阻反饋信號線(xiàn)性地傳輸給比較器。

軟件設計
步進(jìn)電機細分驅動(dòng)系統的軟件主要由主控程序、細分驅動(dòng)程序、鍵處理程序、顯示數據處理及顯示驅動(dòng)程序、通信監控程序等部分組成。
細分驅動(dòng)電路的主控制程序控制整個(gè)程序的流程，主要完成程序的初始化、中斷方式的設置、計數器工作方式的設置及相關(guān)子程序的調用等。初始化包括8279各寄存器、8279的顯示RAM、80C916MC的中斷系統及內部RAM等。在80C196MC的各中斷中，使用了INT15、INT14和INT13這三個(gè)中斷，其中，INT15為高優(yōu)先級。在運行狀態(tài)下，當有停止鍵按下時(shí)，則INT15中斷服務(wù)程序將T1關(guān)閉，從而使步進(jìn)電機停止。T1控制每一步的步進(jìn)周期，該服務(wù)程序基本上只作重置定時(shí)器和置標志位的操作，而其它操作均在主程序中完成。主程序流程圖見(jiàn)本刊網(wǎng)站。
細分驅動(dòng)程序中，細分電流控制信號的輸出采用單片機片內EEPROM軟件查表法，用地址選擇來(lái)實(shí)現不同通電方式下的可變步距細分，從而實(shí)時(shí)控制步進(jìn)電機的轉角位置。其流程圖如圖4所示。
步進(jìn)電機的正反轉控制是通過(guò)改變電機通電相序來(lái)實(shí)現的。為達到對步進(jìn)電機啟/停運行過(guò)程的快速和精確控制，從其動(dòng)力學(xué)特性出發(fā)，推導出符合步進(jìn)電機矩頻特性的曲線(xiàn)應該是指數型運行曲線(xiàn)，并將這一曲線(xiàn)量化后，存入EEPROM。步進(jìn)電機在運行過(guò)程中，每個(gè)通電狀態(tài)保持時(shí)間的長(cháng)短，由當前速度對應的延時(shí)時(shí)間值決定。

圖3 步進(jìn)電機細分驅動(dòng)控制主程序流程圖

結語(yǔ)
本文提出并實(shí)現的步進(jìn)電機均勻細分驅動(dòng)系統，最高細分達到256細分，能適應大多數中小微型步進(jìn)電機的可變細分控制、較高細分步距角精度及平滑運行等要求。大量新型元器件的采用，使所設計的驅動(dòng)器具有體積小、細分精度高、運行功耗低、可靠性高、可維護性強等特點(diǎn)。系統軟件功能豐富，通用性強，從而使控制系統更加靈活。
該驅動(dòng)控制系統已經(jīng)用于“全自動(dòng)高精度線(xiàn)材切割機”的驅動(dòng)控制系統中，實(shí)現了較高的穩速精度和切割精度，慣性小，運行可靠，取得了滿(mǎn)意的效果?！?/P>

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