單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)恒流斬波細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盂秀芝s王宗省s謝風(fēng)芹趙平原3，任惠英4（1.山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，山東泰安271019；2.山東科技大學(xué)動(dòng)力控制工程學(xué)院，山東濟(jì)南250031；3.泰山索道公司，山東泰安271000：4.兗州礦業(yè)集團(tuán)機(jī)電設(shè)備制造廠，山東鄒城273500）單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)恒流斬波細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路，并對其功能及特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。

　　步進(jìn)電機(jī)是把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的執(zhí)行元件，是一種輸出與輸人數(shù)字脈沖相對應(yīng)的增量驅(qū)動(dòng)元件。具有定位精度高、慣性小、無積累誤差、啟動(dòng)性能好、易于控制、價(jià)格低廉及與計(jì)算機(jī)接口方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從主要由硬件控制到軟硬結(jié)合的控制，彌補(bǔ)了步進(jìn)電機(jī)控制的一些缺點(diǎn)，如低頻振動(dòng)、高頻失步等，提高了步進(jìn)電機(jī)的性能，如減小了步距角，提高了運(yùn)行精度，使步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用更加廣泛，控制更加靈活。細(xì)分驅(qū)動(dòng)減小了步距角，提高了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，減小了低頻振動(dòng)、高頻失步現(xiàn)象。本系統(tǒng)采用恒流斬波與細(xì)分相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)方法，其特點(diǎn)如下：采用“完全開關(guān)”式，使功率晶閘管工作在完全飽和與截止兩種狀態(tài)，降低功耗；靈活性細(xì)分，可選擇非細(xì)分、固定細(xì)分和可變細(xì)分，細(xì)分?jǐn)?shù)可在0~255之間選擇；細(xì)分單獨(dú)采用一片微處理器，提高了處理速度。

　　1步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分基本原理步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是給各相勵(lì)磁繞組輪流通以電流，從而形成勵(lì)磁場合成方向的變化來使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，即改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。該步距角的計(jì)算公式為：其中：a代表接人繞組的線路狀態(tài)數(shù)，W代表電動(dòng)機(jī)的相數(shù)，乙代表轉(zhuǎn)子齒數(shù)。由此可見，步進(jìn)電機(jī)一旦制造出來，其相數(shù)與轉(zhuǎn)子齒數(shù)將為定值，要想減小步距角，以達(dá)到細(xì)分的目的，用戶能改變的只有a.在無細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，通過各相繞組的電流幅值是不變化的，僅在各相通電狀態(tài)變化時(shí)，a值才相應(yīng)地變化。如對于三相步進(jìn)電機(jī)來說，單三拍或雙三拍運(yùn)行時(shí)，a=1；單雙六拍運(yùn)行時(shí)，a=2.如果要想增大a，必須使繞組'中的電流按階梯上升和下降，即在零與最大相電流之間有多個(gè)穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)。所示為三相六拍四細(xì)分時(shí)各相電流波形，各相電流均以最大電流值的1/4上升和下降。與單雙六拍方式相比，a值從2增加到8，步距角變?yōu)槿嗔倪\(yùn)行方式時(shí)的1/4.所以步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵在于控制電機(jī)各相勵(lì)磁繞組中的電流大小及其穩(wěn)定性。

　　2系統(tǒng)硬件電路及特點(diǎn)本系統(tǒng)電路如所示，主要分為三部分：細(xì)分、功率放大、基準(zhǔn)電源。

　　細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理圖細(xì)分部分專用一片微處理器來處理。對于微處理器的選用，采用比較常用的89C51，不用擴(kuò)展ROM和RAM，簡化了電路，降低了成本。上位機(jī)主要是進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算、手動(dòng)控制、與計(jì)算機(jī)通訊及發(fā)送脈沖、選擇步進(jìn)電機(jī)方向、片選步進(jìn)電機(jī)信號(hào)、送細(xì)分?jǐn)?shù)及根據(jù)速度進(jìn)行可變細(xì)分控制。細(xì)分微處理器主要功能是通過與上位機(jī)通訊，根據(jù)送來的細(xì)分?jǐn)?shù)來進(jìn)行查表，完成環(huán)形分配器的功能，將傳統(tǒng)電路中的硬件軟化，其作用是根據(jù)需要通過軟件控制，靈活產(chǎn)生所需的細(xì)分階梯電流波形，靈活地實(shí)現(xiàn)多種細(xì)分。

　　2.2功率放大部分本系統(tǒng)采用恒流斬波驅(qū)動(dòng)。對于功放管的選用，采用開關(guān)頻率較高的場效應(yīng)管，提高系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路中，往往不能使功放管工作在完全飽和、截止?fàn)顟B(tài)，增加了功放管上的功耗，發(fā)熱嚴(yán)重，降低了功放管的壽命，若功放管被熱擊穿，將使電路不能正常工作。另外，在以往電路中，細(xì)分下降沿與上升沿一樣，使功放管乃工作在斬波狀態(tài)，而功放管T2―直工作在導(dǎo)通狀態(tài)，由于繞組中的電流下降速度慢，往往造成在下降沿實(shí)現(xiàn)不了細(xì)分。為了解決以上兩個(gè)問題，采取了如下措施：改進(jìn)電路，使功放管和功放管T2工作在完全開關(guān)狀態(tài)，即工作在完全飽和、截止?fàn)顟B(tài)；使和T2工作在相同的方式下，同時(shí)開通，同時(shí)截止，提高了繞組中的電流下降速度，更好地實(shí)現(xiàn)下降沿的細(xì)分，提高了系統(tǒng)的效率。

　　2.3基準(zhǔn)電壓由于DAC0832采用單極性輸出，故選用專用集成電壓轉(zhuǎn)換芯片，將正電壓轉(zhuǎn)換成-5V電壓，提高DAC0832的基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性，然后通過電位器將DAC0832的輸出電壓調(diào)到實(shí)際所需的電壓值，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。

　　3系統(tǒng)軟件功能及特點(diǎn)采用MCS-51匯編語言編寫，細(xì)分微處理器采用中斷的方式從上位機(jī)接收走步脈沖，其中斷程序流程圖如所示。

　　在主程序中，先是開機(jī)對該微機(jī)所控制的電機(jī)進(jìn)行初始化，即給A相繞組通階梯電流，避免了電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)A相由于電流從零突變到最中斷程序流程圖大值而造成的沖擊，隨后是等待中斷。

　　在中斷程序中，先將細(xì)分電流值預(yù)先存儲(chǔ)在細(xì)分微處理器的ROM中，通過與上位機(jī)進(jìn)行通訊，確定細(xì)分?jǐn)?shù)，根據(jù)細(xì)分?jǐn)?shù)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程序中，再判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)向，使用查表法完成數(shù)據(jù)的分配輸出。