基于单片机的仪表步进电机的细分控制原理及应用

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仪表步进电机
  步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机某相线圈加一脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点,使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不像普通的直流电机、交流电机那样在常规下使用。它必须在双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统下使用。
  仪表步进电机属于步进电机中体积、功耗较小的类别,可以由单片机或专用芯片的引脚直接驱动,不需外接驱动器,因而在仪表中被用于指针的旋转控制。
  需求分析
  本方案中使用的仪表具有如下特点和设计参数:
  ●指针响应灵敏、走位准确,即收到驱动脉冲后不能丢步;
  ●指针转动平稳,即指针从当前位置到目标位置之间的走位要平稳,正、反转都不能出现抖动;
  ●两相、步距角10o、转动范围300o。
  根据技术参数可知,采用两相四拍和两相八拍时的步距角为10o和5o,在300o的范围内只能作30和60个刻度划分,在实际应用中,会发现指针步距角不能满足要求而且抖动不可避免。为了实现指针高精度的准确走位和平稳运转,要对步进电机步距进行高分辨率细分,这也是设计的难点所在。
  步进电机的细分技术是一种电子阻尼技术,其主要目的是提高电机的运转精度,实现步进电机步距角的高精度细分。其基本概念为:步进电机通过细分驱动器的驱动,其步距角变小了。如驱动器工作在10细分状态时,其步距角只为电机固有步距角的十分之一。以两相四拍为例:当电机工作在不细分的整步状态时,控制系统每发一个步进脉冲,电机转动10o;而用细分驱动器工作在10细分状态时,电机只转动了1o。细分功能完全是由驱动器或单片机靠精确控制电机的相电流所实现的,与电机本身无关。
  细分原理

  两相四拍A、B、/A、/B的驱动状态表如表1所示。

 

两相八拍A、B、/A、/B的驱动状态表如表2所示。

从以上的分析可知,两相四拍是整步运转不细分,两相八拍其实是2细分。合成的磁场和电流矢量夹角以90o和45o的方式变化,如此往复循环。
  参考相关资料后不难发现:细分驱动技术常用近似正弦波的阶梯型电流代替矩形波电流,产生一个微步旋转磁场,从而带动电机以更小的步距角转动,其电流波形和旋转磁场矢量如图1所示。同时由于正弦波电流变化平滑,使电机运行更平稳、噪声更小。即通过改变相邻两相(A,B)电流的大小和方向(A相正弦波和B相余弦波矢量叠加),以改变合成磁场的夹角,通过电流矢量合成的方式来控制步进电机运转。
 

 

硬件设计和软件编程
  根据细分原理可知,对于两相步进电机,需要同时控制两组线圈的电压大小和方向才能达到合成电流矢量控制的目的,控制线圈的电流大小有两种方案:其一是通过单片机写入数字量,由数模转换器件输出模拟电压,控制线圈电流大小;其二是通过某些单片机自带的PWM引脚输出占空比可控的方波,用其交流有效值控制线圈电流大小。很显然,按照正弦规律变化的占空比决定了线圈电流大小也按照相同的正弦规律变化。线圈的电压施加方向可以通过逻辑门电路来实现。
  综上,选用具有两路16位精度PWM功能的ATMEGA48单片机,外围硬件电路设计如图2。
 

使用该单片机具有PWM功能的PB1和PB2连接PWM_A和PWM_B,使用两个普通引脚连接DIR_A和DIR_B即可实现对电机的控制。原理说明如下:电机的A、/A、B、/B分别对应四输入与门电路的3、6、8、11引脚。在DIR_A和DIR_B为低电平时,门电路的1、9引脚为0状态,三极管Q3、Q4截止,门电路的4、12引脚由于上拉处于1状态,这样,与门电路的3、8输出为0,即A、B为0;此时与门电路的6、11输出与PWM_A和PWM_B保持一致,即/A、/B由PWM_A和PWM_B决定。在其他状态下,也具有同类特点:A和/A之间、B和/B之间的通电极性由DIR_A和DIR_B决定;A和/A之间、B和/B之间的电流大小由PWM_A和PWM_B的占空比决定。而且只要三极管Q3、Q4工作正常,与门电路就不会出现逻辑混乱的情况。
  配合硬件的设计,软件上编写了一个由64个数据组成的数组,分别对应了0~90o正弦波幅度变化的8位数字量化值(以阶梯波的方式模拟了64点正弦波抽样),每个值用来控制输出波形占空比,实际上参与了电流矢量夹角转动90o过程中其电流大小的计算。众所周知,正弦、余弦波相位相差90o,在已知0~90o正弦波幅度变化表后,同样可以得出90o~180o、180o~270o、270o~360o(0o)的正弦波、余弦波幅度变化表,所以通过0~90o正弦波幅度变化的8位数字量化表的演化,就可以在两相八拍(二细分)的基础上把电流矢量夹角分成四个象限,配合极性的控制,在每个象限中把A或/A的正弦波和B或/B的余弦波作8种组合,在每种组合中完成电流大小的变化,最终作到两相64拍(16细分)的控制。而且,最巧妙的一点就在于:通过选择64个数据对应每90o范围的正弦波的64个点,就可以用一个字节的大小来作为区分4个象限的标志,便于对正、余弦的角度进行演化,即0~63对应0~90o,64~127对应90o~180o,128~191对应180o~270o,192~255对应270o~360o。
  由于仪表指针从当前角指向目标角时,变化量会有不同。为保证指针响应灵敏、无抖动,必须在正、反转时考虑加、减速控制。程序中,可以根据变化量的大小和正负设定几个控制区间,分别写入不同的延时参数,根据此延时参数来控制电流大小、方向(改变PWM_A和PWM_B、DIR_A和DIR_B)变化时间,就达到了加、减速的控制的目的。


  结语
  通过双PWM方式控制两相步进电机,既达到了高精度细分的目的,又在硬件成本上得到了优化。在现有电路的后级增加功率驱动电路并作程序的少量修改,就可以做成高精度、多细分步进电机驱动器。
 

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