基于80C196MC的步进电机斩波恒流均匀细分电路的实现

1 基于基于 80C196MC80C196MC 的步进电机斩波恒流均匀细分电路的实现的步进电机斩波恒流均匀细分电路的实现 摘摘 要要 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 80C196MC 单片机 控制的斩波恒流均匀细分驱动方案及实现技术 运行结果表明所设计的驱动系统具有细分 精度高 运行平稳且噪声小 功耗低 可靠性好 性价比高等优点 关键词关键词 恒转矩 斩波恒流 均匀细分 驱动电路 0 0 引言引言 步进电机具有转矩大 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 5o 3o 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 Intel 80C196MC 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 1 1 细分电流波形的选择及量化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的恒转矩均匀细分控制 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 而且每个进给脉冲所引 起的合成磁场的角度变化也要均匀 我们知道在空间彼此相差 2 m 的 m 相绕组 分别通 以相位上相差 2 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 A相 B相 C相 2 2 2 i 图 l 反应式步进电机绕组电流波形 当 0 时 ia Imsin 2 当 时 ia Imsin 2 4 3 2 当 2时 ia 0 4 其中 为电机转子偏离参考点的角度 ib滞后于 ia ic超前于 ia 此时 合成 2 2 电流失量在所有区间 Ime j 从而保证合成磁场幅值恒定 实现电机的恒转矩运I 2 3 行 而步进电机在这种情况下也最为平稳 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 中的不同区域 量化的程度决定了细分驱动的分辨率 2 2 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 统原理框图如图 2 所示 绕组 电流 传感器信号输入 串行通讯接口 键盘参数输入 LED状态显示 P0P2 3 功放电路 前级驱动电路 D A 80C196MC 单片机 P6 6 PWM0 P2 0 2 1 P1 4 P4 P3 方波 信号 斩波比较电路 光耦 线性 滤波 放大 相序控制信号 P1 2 保护电路 步进 电机 反馈 信号 图 2 硬件系统原理框图 2 2 1 1 控制电路控制电路 控制电路主要由 80C196MC 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 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 CM0S IC 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 256 3 N 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 2 2 2 2 功率驱动电路功率驱动电路 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 斩波恒流驱动采 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 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 74KHz 由 80C196MC 的 P6 6 PWM0端产生 且各相是同频斩波 不会产生差拍现象 所以消除了电磁噪声 为防止因比较器漂移或干扰导致功率开关管误 导通 把斩波控制信号与相序控制信号相与后去控制功放管 当开关管截止时 并联 RC 快恢复续流二极管 D 绕组 L 及主电源构成泄放回路 与 单纯电阻释能电路相比 RC 释能电路使功耗和电流纹波增加较小 而电流下降速度大大加 快 电流取样信号由精密电流传感放大器 MAX471 完成 当绕组电流流过其内部 35m 精 密取样电阻时 经内部电路变化 转换为输出电压信号 VOUT ROUT ILOAD 500 A A 其中 ROUT为 MAX471 外部调压电阻 阻值按设计要求选定 ILOAD为流过精密电阻的相绕组电 流 MAX471 同时具有电流检测与放大功能 从而大大方便了整个电路的设计与调试 功率开关管 功放管 是功放电路中的关键部分 影响着整个系统的功耗和体积 由于 所设计的驱动器主要用来驱动额定电流 3A 额定电压 27V 以下的步进电机 故选用高频 VMOS 功率场效应晶体管 IRF540 VDS 100V RDS on 0 052 ID 27A 作为开关管 IRF540 导通电阻很小 因此 即使电机长时间运转 该 VMOS 管壳本身的温度也比较低 无须外加风扇 为了提高步进电机的工作可靠性 消除电机电感性绕组的串扰 本系统无论从驱动部 分还是反馈部分都进行了隔离 驱动隔离采用高速光电耦合器 6N137 为隔离元件 一方面 可以实现前级控制电路同步进电机绕组的隔离 另一方面使功率开关管的驱动变得方便可 靠 反馈通道的滤波部分采用无源低通滤波器 其作用是高速衰减绕组 电感线圈 在开关 时截止频率以上的瞬时高频电压信号 从而避免控制电路做出太迅速的反应 可以有效地 防止步进电机的振荡 线性光耦合电路的作用是将滤波后的采样电阻反馈信号线性地传输 给比较器 3 3 软件设计软件设计 步进电机细分驱动系统的软件主要由主控程序 细分驱动程序 键处理程序 显示数 据处理及显示驱动程序 通信监控程序等部分组成 细分驱动电路的主控制程序控制整个程序的流程 主要完成程序的初始化 中断方式 的设置 计数器工作方式的设置及相关子程序的调用等 初始化包括 8279 各寄存器 8279 的显示 RAM 80C916MC 的中断系统及内部 RAM 等 在 80C196MC 的各中断中 使用了 INT15 INT14 和 INT13 这三个中断 其中 INT15 为高优先级 在运行状态下 当有停止 键按下时 则 INT15 中断服务程序将 T1 关闭 从而使步进电机停止 T1 控制每一步的步 进周期 该服务程序基本上只作重置定时器和置标志位的操作 而其它操作均在主程序中 完成 主程序流程图如图 3 所示 4 开始 调键处理子程序 读细分档设置 初始化有关存储单元 设置中断方式 开中断 设置计数器工作方式 启动计数器 调细分驱动子程序 调显示子程序 图 3 步进电机细分驱动控制主程序流程图 细分驱动程序中 细分电流控制信号的输出采用单片机片内 EEPROM 软件查表法 用 地址选择来实现不同通电方式下的可变步距细分 从而实时控制步进电机的转角位置 其 流程图如图 4 所示 N 相序加1 细分电流控制加1 查表取相序和细 分电流控制输出 相序数 细分数到否 重设表格首地址 返回 Y 图 4 步进电机细分驱动子程序流程图 步进电机的正反转控制是通过改变电机通电相序来实现的 为达到对步进电机启 停 运行过程的快速和精确控制 从其动力学特性出发 推导出符合步进电机矩频特性的曲线 应该是指数型运行曲线 并将这一曲线量化后 存入 EEPROM 步进电机在运行过程中 每 个通电状态保持时间的长短 由当前速度对应的延时时间值决定 4 4 结束语结束语 本文提出并实现的步进电机均匀细分驱动系统 最高细分达到 256 细分 能适应大多 数中小微型步进电机的可变细分控制 较高细分步距角精度及平滑运行等要求 细分驱动 器的系统功能完善 大量新型元器件的采用 使所设计的驱动器具有体积小 细分精度高 运行功耗低 可靠性高 可维护性强等特点 系统软件功能丰富 通用性强 从而使控制 系统更加灵活 该驱动控制系统已经用于 全自动高精度线材切割机 的驱动控制系统中 该切割机 5 的拖动执行元件为三相六拍步进电机 它既可以作为步进电机运行 也可以作为同步电机 运行 当作为步进电机运行时 其粗步距角为 1 5o 轴齿轮直径为 32mm 故步进电机送料 的粗步进位移为 d 1 5 360 419 m 为了进一步提高切割机定位精度和系统的运行 平稳性 采用上述细分驱动控制系统 细分级数为 32 时 切割定位精度为 13 1 m 当切 割机需要快速运行时 可采用同步运行方式 从运行的实际情况看 该步进电机驱动器实 现了较高的稳速精度和切割精度 惯性小 运行可靠 取得了满意的效果 参考文献参考文献 1 徐爱卿 Intel 16 位单片机 M 北京 北京航空航天大学出版社 2002 2 何立民 单片机应用技术选编 M 北京 北京航空航天大学出版社 1999 3 高 明 单片微机接口与系统设计 M 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社 1995 4 郝鸿安 常用数字集成电路应用手册 M 北京 中国计量出版社 1987 5 康华光 电子技术基础 模拟部分 第四版 M 北京 高等教育出版社 1999 TheThe realizerealize ofof steppingstepping motormotor choppingchopping wavewave constantconstant currentcurrent eveneven divisiondivision circuitcircuit basebase onon 80C196MC80C196MC AbstractAbstract By selecting reasonably division electric current waveform of phase winding for step motor The paper advanced and introduced the drive scheme and realizes the technique of chopping wave constant current and even division based on control of 80C196MC single chip microcomputer The operating result indicates the drive system that has been designed its division precision is high and operating is smooth noise and power loss is low and reliability is great and the property price rate is high KeyKey wordswords constant torque chopping wave constant current even division drive circuit 6 A相 B相