儀表步進(jìn)電機(jī)

　　步進(jìn)電機(jī)" title="步進(jìn)電機(jī)">步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)" title="脈沖信號(hào)">脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件,。在非超載的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速,、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),，而不受負(fù)載變化的影響,，即給電機(jī)某相線圈加一脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角,。這一線性關(guān)系的存在,，加上步進(jìn)電機(jī)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(jī)來(lái)控制變得非常簡(jiǎn)單,。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不像普通的直流電機(jī),、交流電機(jī)那樣在常規(guī)下使用,。它必須在雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)下使用,。

　　儀表步進(jìn)電機(jī)屬于步進(jìn)電機(jī)中體積,、功耗較小的類別，可以由單片機(jī)或?qū)Ｓ眯酒囊_直接驅(qū)動(dòng),，不需外接驅(qū)動(dòng)器,，因而在儀表中被用于指針的旋轉(zhuǎn)控制。

　　需求分析

　　本方案中使用的儀表具有如下特點(diǎn)和設(shè)計(jì)參數(shù)：

　　●指針響應(yīng)靈敏,、走位準(zhǔn)確,，即收到驅(qū)動(dòng)脈沖后不能丟步;

　　●指針轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，即指針從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置之間的走位要平穩(wěn),，正,、反轉(zhuǎn)都不能出現(xiàn)抖動(dòng);

　　●兩相、步距角10o,、轉(zhuǎn)動(dòng)范圍300o,。

　　根據(jù)技術(shù)參數(shù)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(nèi)只能作30和60個(gè)刻度劃分,，在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)發(fā)現(xiàn)指針步距角不能滿足要求而且抖動(dòng)不可避免,。為了實(shí)現(xiàn)指針高精度的準(zhǔn)確走位和平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn),，要對(duì)步進(jìn)電機(jī)步距進(jìn)行高分辨率細(xì)分，這也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在,。

　　步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)是一種電子阻尼技術(shù),，其主要目的是提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的高精度細(xì)分,。其基本概念為：步進(jìn)電機(jī)通過(guò)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng),，其步距角變小了。如驅(qū)動(dòng)器工作在10細(xì)分狀態(tài)時(shí),，其步距角只為電機(jī)固有步距角的十分之一,。以兩相四拍為例：當(dāng)電機(jī)工作在不細(xì)分的整步狀態(tài)時(shí),，控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)10o;而用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在10細(xì)分狀態(tài)時(shí),，電機(jī)只轉(zhuǎn)動(dòng)了1o,。細(xì)分功能完全是由驅(qū)動(dòng)器或單片機(jī)靠精確控制電機(jī)的相電流所實(shí)現(xiàn)的,，與電機(jī)本身無(wú)關(guān),。

　　細(xì)分原理 

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

　　兩相八拍A,、B,、/A、/B的驅(qū)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(yùn)轉(zhuǎn)不細(xì)分，兩相八拍其實(shí)是2細(xì)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(fù)循環(huán)。

　　參考相關(guān)資料后不難發(fā)現(xiàn)：細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)常用近似正弦波" title="正弦波">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(zhuǎn)磁場(chǎng),，從而帶動(dòng)電機(jī)以更小的步距角轉(zhuǎn)動(dòng)，其電流波形和旋轉(zhuǎn)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(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)、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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),。

　　硬件設(shè)計(jì)和軟件編程

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

綜上，選用具有兩路16位精度PWM功能的ATMEGA48單片機(jī),，外圍硬件電路設(shè)計(jì)如圖2,。

　　使用該單片機(jī)具有PWM功能的PB1和PB2連接PWM_A和PWM_B，使用兩個(gè)普通引腳連接DIR_A和DIR_B即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制,。原理說(shuō)明如下：電機(jī)的A,、/A、B,、/B分別對(duì)應(yīng)四輸入與門(mén)電路的3,、6、8,、11引腳,。在DIR_A和DIR_B為低電平時(shí)，門(mén)電路的1,、9引腳為0狀態(tài),，三極管Q3、Q4截止,，門(mén)電路的4,、12引腳由于上拉處于1狀態(tài)，這樣,，與門(mén)電路的3,、8輸出為0，即A,、B為0;此時(shí)與門(mén)電路的6,、11輸出與PWM_A和PWM_B保持一致，即/A,、/B由PWM_A和PWM_B決定,。在其他狀態(tài)下，也具有同類特點(diǎn)：A和/A之間,、B和/B之間的通電極性由DIR_A和DIR_B決定;A和/A之間,、B和/B之間的電流大小由PWM_A和PWM_B的占空比決定。而且只要三極管Q3,、Q4工作正常,，與門(mén)電路就不會(huì)出現(xiàn)邏輯混亂的情況。

　　配合硬件的設(shè)計(jì),，軟件上編寫(xiě)了一個(gè)由64個(gè)數(shù)據(jù)組成的數(shù)組,，分別對(duì)應(yīng)了0~90o正弦波幅度變化的8位數(shù)字量化值(以階梯波的方式模擬了64點(diǎn)正弦波抽樣)，每個(gè)值用來(lái)控制輸出波形占空比,，實(shí)際上參與了電流矢量夾角轉(zhuǎn)動(dòng)90o過(guò)程中其電流大小的計(jì)算,。眾所周知,，正弦、余弦波相位相差90o,，在已知0~90o正弦波幅度變化表后,，同樣可以得出90o~180o、180o~270o,、270o~360o(0o)的正弦波,、余弦波幅度變化表，所以通過(guò)0~90o正弦波幅度變化的8位數(shù)字量化表的演化,，就可以在兩相八拍(二細(xì)分)的基礎(chǔ)上把電流矢量夾角分成四個(gè)象限,，配合極性的控制，在每個(gè)象限中把A或/A的正弦波和B或/B的余弦波作8種組合,，在每種組合中完成電流大小的變化，最終作到兩相64拍(16細(xì)分)的控制,。而且,，最巧妙的一點(diǎn)就在于：通過(guò)選擇64個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)每90o范圍的正弦波的64個(gè)點(diǎn)，就可以用一個(gè)字節(jié)的大小來(lái)作為區(qū)分4個(gè)象限的標(biāo)志,，便于對(duì)正,、余弦的角度進(jìn)行演化，即0~63對(duì)應(yīng)0~90o,，64~127對(duì)應(yīng)90o~180o,，128~191對(duì)應(yīng)180o~270o，192~255對(duì)應(yīng)270o~360o,。

　　兩相64拍A,、B、/A,、/B的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)表如表3(以B為起始狀態(tài)),。

　　由于儀表指針從當(dāng)前角指向目標(biāo)角時(shí)，變化量會(huì)有不同,。為保證指針響應(yīng)靈敏,、無(wú)抖動(dòng)，必須在正,、反轉(zhuǎn)時(shí)考慮加,、減速控制。程序中,，可以根據(jù)變化量的大小和正負(fù)設(shè)定幾個(gè)控制區(qū)間,，分別寫(xiě)入不同的延時(shí)參數(shù)，根據(jù)此延時(shí)參數(shù)來(lái)控制電流大小,、方向(改變PWM_A和PWM_B,、DIR_A和DIR_B)變化時(shí)間,，就達(dá)到了加、減速的控制的目的,。

　　結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)雙PWM方式控制兩相步進(jìn)電機(jī),，既達(dá)到了高精度細(xì)分的目的，又在硬件成本上得到了優(yōu)化,。在現(xiàn)有電路的后級(jí)增加功率驅(qū)動(dòng)電路并作程序的少量修改,，就可以做成高精度、多細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,。