步进电机多级细分驱动方法

一 页 一 心 得 日 期 确 认( ONE POINT LESSON ) 作 者主题步進電機多級細分驅動方法实 年 /月/日 / / / / / / / / / / / / / / 姓 名绩 确 认现 场 传 习 训 练一、目的：步進電機多級細分驅動方法研究 二、說明：步進電機作爲電磁機械裝置，其進給的解析度取決於細分驅動技術。採用軟體細分驅動方式，由於編程的靈活性、通用性，使得步進細分驅動的成本低、效率高，要修改方案也易辦到。同時，還可解決步進電機在低速時易出現的低頻振動和運行中的雜訊等。但單一的軟體細分驅動在精度與速度兼顧上會有矛盾，細分的步數越多，精度越高，但步進電機的轉動速度卻降低；要提高轉動速度，細分的步數就得減少。爲此，設計了多級細分驅動系統，通過不同的細分檔位設定，實現不同步數的細分，同時保證了不同的轉動速度。1 細分驅動原理 步進電機控制中已蘊含了細分的機理。如三相步進電機按 ABC的順序輪流通電，步進電機爲整步工作。而按 AACCCBBBAA的順序通電，則步進電機爲半步工作。以 AB 爲例，若將各相電流看作是向量，則從整步到半步的變換，就是在 IA 與 IB 之間插入過渡向量 IAB，因爲電流向量的合成方向決定了步進電機合成磁勢的方向，而合成磁勢的轉動角度本身就是步進電機的步進角度。顯然，I AB 的插入改變了合成磁勢的轉動大小，使得步進電機的步進角度由 b 變爲 0.5 b，從而也就實現了 2 步細分。由此可見，步進電機的細分原理就是通過等角度有規律的插入電流合成向量，從而減小合成磁勢轉動角度，達到步進電機細分控制的目的。一 页 一 心 得 日 期 确 认( ONE POINT LESSON ) 作 者主题步進電機多級細分驅動方法实 年 /月/日 / / / / / / / / / / / / / / 姓 名绩 确 认现 场 传 习 训 练在三相步進電機的 A 相與 B 相之間插入合成向量 AB，則實現了 2 步細分。要再實現 4步細分，只需在 A 與 AB 之間插入 3 個向量 I1、I2、I3，使得合成磁勢的轉動角度1=2=3=4，就實現了 4 步細分。但 4 步細分與 2 步細分是不同的，由於 I1、I2、I3 3 個向量的插入是對電流向量 IB 的分解，故控制脈衝已變成了階梯波。細分程度越高，階梯波越複雜。步進細分原理 在三相步進電機整步工作時，實現 2 步細分合成磁勢轉動過程爲 IAIABIB；實現 4 步細分轉動過程爲 IAI2IAB；而實現 8 步細分則轉動過程爲IAI1I2I3IAB。可見，選擇不同的細分步數，就要插入不同的電流合成向量。 2 多級細分驅動系統的實現 2.1 系統組成 如圖 2 所示，系統由主機、鍵盤輸入系統、步進顯示系統、步進控制系統組成。主機採用AT89C51 單片機，其爲低功耗的 8 位單片機，片內有一個 4K 位元組的 Flash 可編程、可擦除、唯讀記憶體，故可簡化系統構成，且可滿足本系統資料存儲空間的要求。主機接收串列口送來的步進控制資料，並對其進行處理，以實施步進控制。鍵盤輸入系統是用來輸入控制所需的細分檔位。系統設計時，考慮到隨著細分的精確化，如 128 步細分時，步距角達到足夠小，能滿足各種步進要求，故以 2 的整數次冪作爲細分基準。步進顯示系統由液晶顯示器顯示當前細分檔位元和細分後的步進角等參數。爲了減少電路的複雜性，該顯示器顯示的最小單位規定爲 0.01。步進控制系統由 D/A 轉換部分和驅動系統組成。D/A 轉換部分包括一 页 一 心 得 日 期 确 认( ONE POINT LESSON ) 作 者主题步進電機多級細分驅動方法实 年 /月/日 / / / / / / / / / / / / / / 姓 名绩 确 认现 场 传 习 训 练片 DAC0830 集成晶片和資料鎖存系統。DAC0830 轉換解析度是 8 位元，該晶片具有與微處理器相容、價格低廉、介面簡單、轉換控制容易等優點。D/A 轉換部分的功能是將二進位碼表示的階梯波數值轉換爲相應的電流值輸出，經驅動系統放大，控制步進電機轉動。驅動系統採用三級管實現電流放大。多級細分驅動系統組成 2.2 細分階梯波的産生 細分的實現過程，就是插入電流合成向量和轉換電流合成向量的過程。電流合成向量轉化的前提是合成向量的插入。在系統中，由主機根據設定的細分檔位，計算出相關參數，經查表生成相對應的階梯波，即插入了電流合成向量。在正轉或反轉的控制信號下，階梯波脈衝由輸出埠經鎖存系統送入 D/A 轉換器件 DAC0830 進行電流合成向量的轉化，輸出對應的電流值，經驅動放大控制步進電機，從而實現了細分驅動。 電流合成向量的插入是實現細分的關鍵，而要得到電流合成向量，首先必須産生階梯波。由圖 1 知，在三相電機半步工作的情況下，要實現 4 步細分，就必須將 B 相電流分成 4 份，但不是等分，需保證 1=2=3=4。若 1、2、3、4 分別對應的電流向量是IB1、IB2、IB3、IB4，則在 1 所對應的三角形內，設步進角爲 b，則 =180-b，=b-1，由正弦定理得 考慮到一般情況，由於細分時步進電機控制脈衝波形是階梯型，如對 B 相進行 4 步細分時,其電流輸入依次爲 IB1、IB1+ IB2、IB1+ IB2+ IB3、IB1+ IB2+ IB3+ IB4，相應合成磁勢轉過的角度爲 1、1+2、1+2+3、1+2+3+4，此時設一 页 一 心 得 日 期 确 认( ONE POINT LESSON ) 作 者主题步進電機多級細分驅動方法实 年 /月/日 / / / / / / / / / / / / / / 姓 名绩 确 认现 场 传 习 训 练IBk 即爲電流合成向量中 B 相階梯波中第 k 階的電流值，k 即爲此時合成磁勢相應轉過的角度。由此推出，對 B 相來講，在步進電機的步進角度爲 b 時，考慮到 IA=IB，則階梯波型其任一階的電流值爲同理，可求得 A 相和 C 相在細分時對應的階梯波電流值。對(1)式求解，考慮 D/A 器件DAC0830 的轉換精度是 8 位，轉換穩定時間是 1 s，故最大進行了 128 步細分的運算，相應求得其對應的細分電流值，並進行了相應的轉換，得到對應的二進位數字值列表。此時，列表全部的數值就是在實現 128 步細分時，對應階梯波各階的電流值。2.3 多級細分驅動的實現 要在細分的基礎上實現多級細分，就必須針對不同的細分檔位生成不同的階梯波。爲此，該系統採用了迴圈增量查表法。首先建立階梯波數值存儲表格，有兩種方法，一種是針對每種細分方式建立相應的表格，其特點是細分種類多樣，但表格所占空間較大；另外一種，也就是該系統採用的，以最大細分檔位對應的步數僅建立一個表格，大大減少了所需的存儲空間，並減少了程式運行中的不穩定因素。在具體控制中，該系統通過設定迴圈增量基數，使不同的細分檔位對應不同的細分步數，實現了多級細分驅動。迴圈增量基數是指標對不同的細分檔位，實現等間隔定址時相應跳躍的步數。迴圈增量基數是在細分檔位設定後，由相應的計算公式得到。由於該系統最大細分步數爲 128 步，即表格最大長度爲 128 個位元組，若細分步數爲 m 步，則迴圈增量基數爲 LB=(128/m)-1。不同的檔位對應不同的迴圈增量基數，同一表格就産生了多級細分所需的階梯波。一 页 一 心 得 日 期 确 认( ONE POINT LESSON ) 作 者主题步進電機多級細分驅動方法实 年 /月/日 / / / / / / / / / / / / / / 姓 名绩 确 认现 场 传 习 训 练另外，在整步控制的基礎上，若細分爲 m 步，對每 m 步運行中的各項電流值進行分析比較，可發現存在以下規律，即各相電流值的變化趨勢，隨著相位變化迴圈地出現，如表 1 所示。表 1 細分控制中各相電流值變化規律 各相 AB BC CA A 相 高遞減 電流值=0 增加高 B 相 增加高 高遞減 電流值=0 C 相 電流值=0 增加高 高遞減在表 1