步进电机的细分驱动设计

本科生毕业论文基于单片机的步进电机细分驱动控制系统设计A Control System Design of Micro-stepping Driver For step Motor Based on SCM学 生 姓 名郑权专 业微电子学/0501321学 号32指 导 教 师李野学 院理学院2009年 6 月摘要 本文讲述了细分驱动技术的原理，重点介绍了细分驱动控制系统的设计方法，设计了一套传统细分驱动系统的设计方案，在此基础上，本文进一步介绍了L297、L298两块芯片，采用这两块芯片构成步进电机的驱动电路，应用DAC0832实现D/A转换，采用精简指令集单片机AVR作为脉冲产生器，对步进电机的工作过程进行控制，最终组成电机细分数可选的驱动控制系统。本文最终通过proteus软件进行电路仿真，仿真结果表明，文中设计的细分驱动控制系统有精度高、低频运行平滑稳定性高等优点。 关键词：混合式步进电机 AVR 细分驱动 ABSTRACT This paper intoduces the principle of the macro-stepping driver for step motor. It focuses on the design of the driving circuit. It puts forward a traditional design at first, and then we improve the design of the by using L297/L298,An piece ofAVR mcu is used as the control signal source. Simulation by proteus shows that the designed circuit has high precision, and high stability at low-frequency running. 目录摘要ABSTRACT目录第一章 绪论.11.1 引言11.2 细分驱动电路的发展情况1.3 论文的主要研究内容第二章 系统的总体架构设计2.1 步进电机的工作控制2.2 步进电机细分驱动的原理.2.3 硬件系统设计第三章 步进电机细分控制系统的电路设计3.11 环形分配器电路的设计3.2 D/A转换电路的设计.3.3 功率放大电路的设计.3.4 细分驱动的C语言程序设计（AVR单片机介绍一下）第四章 电路仿真及高精度细分控制系统的应用 结论参考文献致谢第一章 绪论1.1 引言步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的开环控制元件，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决与脉冲信号的频率和脉冲数目，而不受负载变化的影响，即给电机一个脉冲信号，点击就会转过一个步距角。这种线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差，并没有积累误差的特点，以及具有价格低廉、易于控制、和计算机接口方便的优点，在机械、仪表、工业控制等领域中获得了极为广泛的应用。相比直流电机，步进电机具有转矩大、惯性小等优点。需要逻辑关系分配脉冲，通过功率放大器加到步进电机的线圈上，因此具有瞬间启动和急速停止的优越特性。并且和其他驱动元件相比，步进电机有明显的优点：通常不需要反馈就能实现角位移和速度的精确控制。输出的转交或者角位移精度高，误差不会积累。步进电机出现于上个世纪，步进电机在加工工艺上和精度上都有变化，主要在两个方向：一是有良好的加减速过程，保证其在较高的运行频率下的加减速过程中不失步、不过冲；二是运用步进电机的细分技术，保证步进电机具有良好的精度和运行的平稳度。随着微处理器的发展，在这两个方向的研究和发展越来越广泛。但是由于受到制造工艺的限制，步进电机的步距角一般较大，。这些缺点使步进电机的步距角不可能做得很小，由此带来以下两个主要的问题：1）由于步距值大，运行时存在明显的步进感，不能精确位移；2）由于步距值大，步进时易产生振荡和失步，限制了启动时的步进速度。为了解决上述问题，出现了各种各样的细分电路，在一般的情况下，步进电机各相绕组电流在不仅脉冲的控制下，轮流切换，从而使电机的转子不仅旋转。如果每次输入脉冲切换时，只改变对应的绕组中的额定电流的一部分，那么转子相应的每步转动也只有原步距角的一部分。额定电流细分成多少分取决与细分成多少分，转子就可以以多少步来完成一个原有的步距角，这种把步距角分成若干步来完成的控制方式称为细分控制。虽然这种驱动电路的结构比较复杂，但是在不改变步进电机内部结构的前提下，使步进电机具有更小的步距角、更高的分辨率，也方便电机运行平稳、减小或消除电机振荡、减小噪声。1.2细分驱动电路发展状况 步进电机细分驱动技术是上个世纪70年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动技术。1975年美国学者T R Frediksen首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角的细分控制方法。在其后的二十多年里，步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中的得到广泛的应用。实践证明，步进电机的细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高电机运行的平稳性，增加控制的灵活性随着微型计算机的发展特别是单片机的出现，为步进电机细分技术带来了便利。细分驱动技术从20世纪70年代开始研究，逐步发展到90年代完全成熟。为二相混合式步进电机配套实现细分驱动的控制芯片商品化后，实现细分驱动更方便，成本更低，更方便推广使用。细分驱动技术推广以后，给商品设计带来封边。为了获得理想的分辨率，可以不受电动机相数的限制。例如，德国柏格拉（BERGER LAHR）公司原来生产的五相混合式步进电机。1994年专利期满后，推出了新的三相混合式步进电机系列，采用定子6极，转子50齿的结构，配以细分驱动电路，每转步数为200、400、1000、2000、和2000、4000、10000、20000，亦可看出它兼有通常二相和五相步进电机的分辨率，还可以在此基础上提高10倍。这种设计目前已成为步进电机细分驱动技术的典型代表。1.3 论文的主要研究内容（1） 步进电机的等步细分控制方法通常步进电机的细分驱动有等电流细分驱动方法和等步细分驱动方法，但是等电流法不能实现步距角的均匀细分，而步距角不均匀又容易引起步进电机的振荡和失步。根据合成磁势旋转的状况，列写出等步细分时的相电流计算公式，根据想要得到的细分数目，代入公式，计算出相应的相电流每一步时的电流波形。（2） 细分驱动电路设计一套好的细分电路的设计方案决定了步进电机的精度和稳定性，细分驱动电路的稳定性也就直接决定了步进电机的稳定，所以要设计一套稳定性高、精度高的驱动电路是关键所在。本文根据细分驱动控制系统的原理，设计了一套传统的细分驱动电路。该电路由AVR单片机芯片、L297、DAC0832、以及电流放大电路构成其基本结构。L297(环形分配器)能够实现将一列方波信号转化为多路移位方波信号。产生的方波信号经过放大以及细分处理后就可以用来作为步进电机的驱动信号。D/A电路用于设置驱动电流的波形。电流放大电路用于位步进电机提供足够大的电流以驱动电机运转，保证电机正常运转时的转矩。第二章系统的总体构架设计2.1 步进电机的工作控制在设计驱动控制系统之前，先让我们了解一下步进电机。首先让我们了解一下步进电机的概念，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。现在比较常用的步进电机包括反应式电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般分为两相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5，或者15；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的准字次路由软材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用此道的变化产生转矩。混合式步进电机时指混合了永磁式和反应式的优点。这种步进电机应用最为广泛，也是本次细分驱动控制系统中所选用的步进电机。接下来让我们简单了解一下步进电机的工作过程。当步进驱动电路接受一个脉冲信号，他就驱动步进电机按照设定的方向移动一个固定的角度（步距角）。可以通过控制脉冲个数来控制角度位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制步进电机转动的速度，从而达到调速的目的。然后让我们看一下步进电机的控制原理。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转过一个固定的角度，因此非常适合单片机控制。步进电机区别于其它控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来控制的，即电机的总转动角度有输入脉冲数目决定，而单片机的转速则有脉冲信号的频率决定。步进电机驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。驱动步进电机的基本原理基本如下：（1）控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：四相步进电机的四拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A-B-C-D相的通断。（2）控制步进电机的转向 如果给定的工作方式正序换相通电，步进电机正传，如果按反序通电换相，则电机就反转。（3）控制步进电机的速度 如果给步进电机发送一个控制脉冲，它就转动一步，再发一个控制信号，它会在转动一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机转动的越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。本文所选用的是混合式四相单极式步进电机。四相步进电机有以下3种运行方式：四相单四拍，四相八拍，四相双四拍。其通电顺序分别为：四相单四拍：A-B-C-D-A；四相双四拍：AB-BC-CD-DA-AB；四相八拍：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A；四相单四拍在换相瞬间可能导致相电流的缺失从而影响系统工作的稳定性，其余两种工作方式在任何时刻至少有一相通电，避免了这样的问题；步进电机在两相通电时力矩较大，大约是单相的1.4倍，因此四相双四拍可以去的最大的驱动力矩，但是这种方式牺牲了一定的定位精度。2.2 步进电机细分的基本原理细分驱动技术是通过改进驱动电路中对绕组电流的控制方式来实现的，细分驱动技术是一种电流波形控制技术。步进电机的控制已经蕴含了细分的原理。电机内部磁场每旋转一个圆周，步进电机前进一整个步距角。本实验采用的是单极型混合式四相步进电机，电机按A-B-C-D-A的顺序轮流通电，即整步工作，磁场分四拍旋转，每次电流换向，步进电机将前进步距角的1/4.而按半步工作模式A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A的顺序轮流通电，即四相八拍模式，每次电流换向，步进电机将前进整步距角的1/8。 但是，如果半步工作状态下每拍前进的角度超过控制精度的要求，则需要对不聚焦的更进一步的细分。我们知道，电磁力的大小跟绕组通电电流的大小是相关的。当通电的电流不马上达到峰值，而断电的电流也不立即将为零时，会使转子有一个新的平衡位置，这个新的平衡位置在原步距角的范围内。也就是说，如果绕组电流的波形不再是一个近似的方波，而是分成N个阶梯近似阶梯波，则电流每升或者降一个阶梯时，转子转动一小步。则转子按照这个规律转个N小步时，实际上相当于它转过一个步距角。这种将一个步距角分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动。作为一种速度/位置开环驱动技术，细分驱动也存在一些问题需要解决。首要的是如何事先给定合适的绕组电流波形，使电动机在全频域范围内获得理想的转矩特性并保证步距精度。由细分驱动原理和过程可以看出，相绕组电流给定波形对细分驱动步进电机系统的性能具有重要意义。一方面，我们希望电动机步距角均匀，定位准确，另一方面，希望电动机系统能够具有合适的输出力矩特性，例如低频恒转矩。在细分驱动系统中，这些性能要求都需要给定合适的相电流波形来实现。下面我们重点讨论一下相电流波形的设置。如图2.2.1所示，对应于半步工作状态，如果要将每一步细分分成五步走完，则可将电机每相绕组的电流分五个台阶切除。Id初始状态0为额定电流IN，即Id=IN，当第一个CP脉冲到来时，A相不是立即通额定电流IN，而是通Ia=IN/5，此时电机内部合成磁势由D相中IN与A相中IN/5共同产生。由图2.2.2看出合成磁势的旋转情况。未加细分时，从A到AB状态只需一步，而在细分工作时经过五步才运行到AB。如果这四步每步转过的步距角分别为1、2、3、4和5，这五步才走完四相八拍工作时一拍的步距角，即1+2+3+4+5=b。不细分的电机运行十拍时，每步的步距角理论上都是一样的45（电角度），细分后步距角应该为45/5=9，但上述细分方法各部的步距角并不相同。由图2.2.2根据三角函数可以计算出tan1=1/5 ； tan(1+2)=2/5 ； tan(1+2+3)=3/5 ； tan(1+2+3+4)=4/5；所以1=11.3 2=10.5 3=9.2 4=7.75=6.3步距角不均匀容易引起电机的振动和失步。若要使细分后步距角仍然一致，则通电的台阶不能均匀。步距角的等步距细分，它的数学模型如式（1）和（2）所示。上升沿：C(n)=Zn/M+K*sin(2*n/M).(1)下降沿：C(n)=Z(M-n)/M+K*sin(2*(M-n)/M).(2)式中，C为细分电流数据，M为细分数，n为细分步序数（n=0，1，2，.M），Z和K为常数（Z=255，0K10K时f=1/0.69RC。当时钟振荡器脉冲是触发器置1，（见步进电机等步细分控制研究有图）电机套组相电流上升，采样电阻的Rs上电压上升到基准电压Vref时，比较器翻转，使触发器复位，功率晶体管关断，电流下降，等待下一个振荡脉冲的到来，触发器输出的是恒频PWM信号,所以相电流峰值由Uref确定。调制L297的输出信号，绕组相电流峰值由Vref决定。L297的CONTROL端的输入决定斩波器对相位线A、B、C、D或抑制线INH1、INH2起控制作用。CONTROL为高电平时，对A、B、C、D有控制作用；而为低电平时，则对INH1、INH2起控制作用，从而可对电动机转向和转矩进行控制。并且单片机对这芯片的控制更加灵活，由于L297芯片配有片选使能信号ENABLE以及同步信号源SYNC，这使得单片机可以对多个L297进行控制，进而实现更加复杂的控制，这一点是传统电路无法比拟的。环形分配器电路设计如图3.1.4所示图3.1.4 环形分配器电路设计CLOCK管脚接的是单片机的一个I/O管脚，这个I/O管脚输出的是单片程序中编好的方波信号，用于控制L297的时钟信号，也是步进电机的步进信号，在L297芯片的参考电压输入管脚Vref连接的是一个阶梯信号，也就是要和D/A转换电路的输出端相连，参考电压Vref的变化直接导致了电机驱动电流峰值的变化，从而实现了调制驱动电流波形的目的。L297又设置有RESET管脚、HALF/FULL管脚，CW管脚。其中RESET、HALF/FULL管脚被设置为1、1。CW管脚的高低取决与我们想要得到电机的转动方向。L297工作模式的设置我们已经在前文讲述，我们只将HALF/FULL置高，3.2 D/A转换电路的设计步进电机细分控制的关键在与：按照什么样的细分电流波形（前后沿）来控制步进电机各相绕组中的电流。采用线性加正弦的规律最接近电机的非线性，因而可以实现步距角的等步距细分，它的数学模型如式（1）和（2）所示。上升沿：C(n)=Zn/M+K*sin(2*n/M).(1)下降沿：C(n)=Z(M-n)/M+K*sin(2*(M-n)/M).(2)式中，C为细分电流数据，M为细分数，n为细分步序数（n=0，1，2，.M），Z和K为常数（Z=255，0K1,在本设计中K为20/255）.软件上为了节省CPU 时间, 单片机输出的数字信号(各相细分值、相选值)不是采用即时计算方法确定, 而是预先经过C 程序计算, 利用预存细分编码的方法存放在单片机ROM 中开辟的单元, 建立数据表, 通过查表形成各输出值。针对于要输出具体数值的电压信号的需求，引入了数模转换电路，由单片机输出经过计算得到的数字量，经由DAC0832转换为模拟电压，单片机、DAC0832和OP77AP就构成了阶梯电压产生电路，DAC0832是八位并行数模转换芯片，参考电压Vref=5V，所以它的精度为5/255 V。 在传统的细分电路设计中，为了实现细分驱动，细分驱动的相电流与图3.1.4所示相电流不同的地方是，每一相电流由原来的方波转化为上升沿阶梯上升、下降沿阶梯下降的电流信号，为了得到细分台阶电流，我们需要设计一个能够输出具体数值电压的模块，以及一个能将电压信号转化为足够驱动步进电机的电流信号。在我们设计的驱动电路中，DAC0832通过一组I/O端口接收来自于单片机输出来的数字信号，将这个八位的数字信号转换为模拟电压输出，D/A转换电路如图3.2.1所示。图3.2.1需要强调的是在U2输出端口输出的是负电压，这是由DAC0832芯片Iout管脚的电流是流进芯片的，所以为了将U3输出端的负电压转化为正电压，我们在U2的下一级又引入了一个反相电压放大电路U3，U2输出的电压值U2=-data/255,其中data是单片传输来的八位二进制数字量，是经过计算转换过来的数字量，U2的负电压经过U3电压反相放大电路，得到了正向的阶梯电压信号。3.3 光耦隔离电路及功率驱动电路的设计图3.3.1在D/A转换电路中，U3运算放大器的6管脚输出的是阶梯电压信号，不能用来直接驱动步进电机，为了驱动步进电机，我们要得到足够大的电流才可以给电机提供足够的转动力矩，为了将U3输出的这组阶梯电压转化为足够大的相同波形的阶梯电流，我们引入了光耦器件和用于电流放大的三极管2N3019，光耦器件的应用是为了进行光耦隔离，实质是为了使Q1Q2Q3Q4轮流导通, 这样就实现了电压信号向电流信号的转换，就产生能够驱动步进电机的阶梯波形的相电流。74LS194输出的高电平的电压标准值是3.7V，当74LS194的输出端Q0Q1Q2Q3为1 0 0 0 时，光耦元件U1导通，这时其它三个光耦元件都是关断的，D/A电路中的U3运算放大器输出的阶梯电压被2N3019转化为足够大的阶梯电流，在Q1、Q2、Q3、Q4的集电极都各自接了一个二极管，因为步进电机中的绕组是电感性元件，二极管的作用是为绕组线圈续流。至此，传统细分驱动控制系统的硬件设计就初步完成了，具体的电路设计及器件连接见于下图。细分驱动系统的电路设计路连接到电机前必须经过几级开关放大。功率MOS 器件是最理想的电机驱动元件, 因为它不存在二次击穿,所以电路极其简单, 可以不用复杂的浪涌吸收电路。MOS 器件的栅极可以直接用CMOS 电路驱动4 。单相功率驱动电路如图3 所示。高频小功率晶体管9013 可加速功率场效应管IRF620 的导通速度并减小功耗, 选用增强型VMOS 对管IRF9540 和IRF540 , 这种管子的导通电阻很小约在015以下, 可以达到加快开关速度并降低功耗的目的。在电路中, 并联在功率场效应管的栅极与漏极之间的+ 15 稳压管是为了保护功率场效应管, 以防止它的栅极与漏极被击穿。二极管MUR1560 与电机及电源构成回路泄放, 对提高工作频率大有好处。213 报警电路报警电路包括温度报警电路和电路报警电路。限流报警电路主要是将采样反馈放大器的输出电压与设置的门限电压进行比较, 当超过门限电压时, 说明相电流超过设定值, 产生报警。温度报警电路采用LM35 作为温度敏感器, LM35为精密摄氏温度/ 电压变换器, 它的输出电压正比于摄氏温度, 灵敏度为10 mV/ 。由于芯片采用曲率补偿电路, 其输出电压的线性得到了改善, 在- 45 + 150范围内最大非线性误差仅为012 , 它的输出阻抗很低, 可采用单电源或双电源工作(电压范围为520V) , 所以很容易地读出或( 和) 控制电路接口。LM35 的输出电压与温度呈正比, 当功率放大电路过热时, LM35 的输出电压超过设置的门限电压, 产生报警。3.4 细分驱动的C语言程序步进电机的运行方式是指各相绕阻循环切换通电的方式, 实现各绕阻按一定方式轮流加电, 需要一个脉冲循环分配器, 这里采用软件上的循环查表法。循环查表法是将各相绕阻加电顺序的控制代码制成一张表, 各相输出的细分值也制成表, 存在内存区, 再设置一个地址指针, 正向时赋予表首址, 然后地址指针依次加1 ; 反向时赋予表首址加上当前步长的偏移量, 然后地址指针依次减1 , 即可从表中输出加电相选的代码, 通过并行接口转换后驱动功放管, 以及各相细分值的输出。相序表和数值表的建立考虑两个因素: 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 82 计算机测量与控制第12 卷(1) 根据步进电机运行方式的要求; (2) 步进电机各相绕组与数据线连接的对应关系。因此, 实现同一种运行方式, 由于绕组与数据线的连接不同, 可以有多种相选代码。当然运行方式发生改变, 相选代码也会改变运行方向。本文采用的是高性能的8位AVR单片机，AVR单片机采用先进的RISC结构，16K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命高达10，000次。1K字节的片内SRAM。具有片内振荡器的可编程的看门狗定时器。在该电路中，PA0、PA1、PA2与按键相连接，对细分数目进行控制，当按键1按下后，系统执行6细分程序，当按键2被按下后，系统执行8细分程序，当按键3被按下后，系统执行10细分程序。PD07连接DAC0832的输入口相连，输出八位数据，经过DAC电路转换为阶梯电压。PC03输出0001，对DAC0832的工作方式进行控制。 PB0口输出方波信号，其本质是一个脉冲产生器，将脉冲信号传输给L297芯片，作为该芯片的时钟信号，也是控制步进电机步进脉冲。主程序框图及C语言程序如下图2.3.7所示。图2.3.7 程序流图 /*project :通过DA转换将产生阶梯波chiptype :atmega16clock frequence:8Mhz*/#include#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#pragma data:code const table1=0X44,0X93,0XFF;/六细分上升沿时细分const table2=0X93,0X44,0X00;/六细分下降沿时细分Const table3=0X32,0X69,0XAA,0XFF;/八细分上升沿时细分Const table4=0XAA,0X69,0X32,0X00;/八细分下降沿时细分Const table5=0X28,0X52,0X81,0XB9,0XFF;/十细分上升沿时细分Const table6=0XB9,0X81,0X52,0X28,0X00;/十细分下降沿时细分/*ms延时子程序*/void delay(uint ms)/延时1ms uint i,j;for(i=0;ims;i+) for(j=0;j1142;j+);/1141是在8MHz晶振下，通过软件仿真反复实验得到的数值 /*延时子程序*/void delay100us() uint k=114;while(k-);uchar key_press()/按键检测 uchar j; DDRA|=0X07;PORTA|=0X07;DDRC|=0X0F;PORTC=0x08;/设置DAC的WR1、WR2非为0,cs非为0，xfer非为0，ile为1.DDRB|=0X01;DDRD =0XFF;while(1)/PB0出方波，PD与DA相连，用于产生阶梯波 char k,i,j,m,n,x,y;if(key_press() k=key_scan();else k=0;switch(k)case 0: PORTB=0X01;PORTD=0XFF; delay(10); PORTD=0; PORTB&=0X01;break;case 1: PORTB=0X01; for(i=0;i3;i+) PORTD=table1i;delay100us(); delay(10); for(j=0;j3;j+) PORTD=table2j;delay100us(); PORTB&=0X01; break;DDRA&=0XF8;j=PINA;j=j&0X07;/00000111if(j=0X07) return 0;else return 1;uchar key_scan()/键盘扫描子程序 uchar key; delay(10);if(key_press() key=PINA;