ATC的步进电机恒转矩细.docVIP

基于AT89C51的步进电机恒转矩细 【摘　要】　通过合理选择步进电机相绕组细分电流波形，提出并介绍了基于AT89C51单片机控制的斩波恒流均匀细分驱动方案及实现技术。??? 关键词：恒转矩，斩波恒流，均匀细分，驱动电路　 1　引　言　　步进电机是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械装置，它输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，是一种输出与输入脉冲对应的增量驱动元件。该元件具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，已经在当今工业上得到广泛的应用。但其步矩角较大，一般为1．5°～3°，往往满足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运行平稳性的一种行之有效的方法。步进电机细分运行时，细分的均匀性是首先要考虑的。目前报道的步进电机细分驱动器，多采用量化的梯形波、正弦波作为细分驱动的驱动电流波形，但事实上这些电流波形在一般的步进电机上均不能得到满意的细分精度。　　本文在选择了合理的电流波形的基础上，提出了基于AT89C51单片机控制的斩波恒流细分驱动方案，其运行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很强的实用性。2? 步进电机细分电流波形的选择及量化　　步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。因此，要想实现对步进电机恒转矩的均匀细分控制，必须合理控制电机绕组中的电流，使步进电机内部合成磁场的幅值恒定，且每个进给脉冲所引起的合磁场的角度变化也要均匀。我们知道在空间彼此相差2π／m的m相绕组，分别通以相位上相差2π／m而幅值相同的正弦电流，则合成的电流矢量便在空间作旋转运动，且幅值保持不变。这—点对于反应式步进电机来说比较困难，因为反应式步进电机的旋转磁场只与绕组电流的绝对值有关，而与电流的正反流向无关。以比较经济合理的方式对三相反应式步进电机实现步距角的任意细分，绕组电流波形宜采用如图1所示的形式。稳。将绕组电流根据细分倍数均匀量化后，所得细分步距角也是均匀的。为了进一步得到更加均匀的细分步距角，可通过实验测取一组在通入量化电流波形时的步进电机细分步距的数据，然后对其误差进行插值补偿，求得实际的补偿电流曲线。这些工作大部分由计算机来完成，在取得校正后的量化电流波形之后，以相应的数字量存储于EEPROM的不同区域，量化的程度决定了细分驱动的分辨率。 3　斩波恒流细分驱动方案及硬件实现　　斩波恒流细分驱动方案的原理为：由单片机输出EEPROM中存储的细分电流控制信号，经D／A转换成模拟电压信号，再与取样信号进行比较，形成斩波控制信号，控制各功率管前级驱动电路的导通和关断，实现绕组中电流的闭环控制，从而实现步距的精确细分。系统框图如图2所示。3．1　控制电路　　控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及可编程键盘／显示控制器Intel－8279等组成，单片机是控制系统的核心，受控步进电机的细分倍数、运行脉冲频率、正反转、运行速度、单次运行线位移、以及启停等的控制既可由键盘输入，也可以通过与上位机的串行通信接口由上位机设置。状态显示提供当前通电相、相电流大小、电机运行时间、正反转、当前运行速度、线位移及相关计数等的显示，并将工作状态和数据传送给上位机。传感器（霍尔传感器）用于检测计数器的当前值。单片机的主要功能是输出EEPROM中存储的细分电流控制信号进行D／A转换。根据转换精度的要求，D／A转换器既可以选择8位的，亦可选择12位的。本控制系统选用的是8位D／A转换器MAX516。MAX516把4个D／A转换器与4个比较器组合在单个的CMOSIC（DIP20封装）上，4个D／A转换器共享一个参考输入电压VREF。每个转换器的输出电压均可采用下式表示：　　VDACi＝VREFN／256N＝0，l，…，255，对应于8位的DAC的输入码D0－D7（此处为细分电流控制信号）。通过调节VREF的变化范围，便可调节步进电机绕组中电流的幅值。 3．2　功率驱动电路　　工作中，步进电机细分电流控制信号的D／A转换值Ui输入到MAX516内部各比较器COMPi的同向输入端，绕组电流取样信号Vi输入到COMPi的反向输入端。斩波桓流驱动采用固定频率的方波与比较器输出信号调制成斩波控制信号，控制绕组的通电时间，使反馈电压Vi始终跟随D／A从转换输出的控制电压Ui。合理选择续流回路就可使绕组中的电流值在一定的平均值上下波动，且波动范围不大。　　调制用方波信号频率为21．74kH