17 基于 引言 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)是通過控制各相繞組中的電流，使它們按一定的規(guī)律上升或下降，即在零電流到最大電流之間形成多個(gè)穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)，相應(yīng)的合成磁場(chǎng)矢量的方向也存在多個(gè)中間狀態(tài)，且按細(xì)分步距旋轉(zhuǎn)。其中合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，合成磁場(chǎng)矢量的方向決定了細(xì)分后步距角的大小。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分控制理論自其產(chǎn)生已經(jīng)經(jīng)歷了近二十年的發(fā)展。過去由于受到電子元器件在開關(guān)頻率、負(fù)載能力、運(yùn)算速度等諸多方面的制約，很長(zhǎng)一段時(shí)間細(xì)分控制的實(shí)際應(yīng)用很少 。隨著微電子技術(shù)特別是單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)及 進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分控制也得到了充分發(fā)展。 目前，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路大多都由單片機(jī)控制，單片機(jī)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路不僅減小了控制系統(tǒng)的體積、簡(jiǎn)化了電路，同時(shí)進(jìn)一步提高了細(xì)分精度和控制系統(tǒng)的智能化。 隨著 成了交流電動(dòng)機(jī)矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、無刷直流電機(jī)控制、永磁同步電機(jī)矢量控制等多種先進(jìn)、復(fù)雜的電機(jī)控制方式。形成了電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域的一次新的技術(shù)熱潮。 18 本章基于 術(shù)，結(jié)合步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)的細(xì)分控制理論實(shí)現(xiàn)了對(duì)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的有效控制，并對(duì)其關(guān)鍵電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分控制原理 24 進(jìn)電動(dòng)機(jī)角速度波動(dòng)的特點(diǎn) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率邏輯通電狀態(tài)1平均轉(zhuǎn)速： 1N (r/s) (3則平均角速度： 122 N (s) (3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)形式的特點(diǎn)，可將整個(gè)頻域分為極低頻、低頻和高頻等幾種運(yùn)行狀態(tài)。 1. 極低頻運(yùn)行狀態(tài) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在極低頻狀態(tài)時(shí)，有 1/即控制脈沖的周期或間隔時(shí)間大于停止時(shí)間動(dòng)機(jī)每走一步，都是單步響應(yīng)過程，電動(dòng)機(jī)按其自然頻率振蕩可衰減到靜止。式 (3，電動(dòng)機(jī)的平均角速度很小，但是在自由振蕩過程中最大角速度可以達(dá)到相當(dāng)大的值。實(shí)際上在該頻域內(nèi)電動(dòng)機(jī)處于斷續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，角速度波動(dòng)很大，在其正的最大值和負(fù)的最大值之間變化。 19 2. 低頻運(yùn)行狀態(tài) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低頻狀態(tài)時(shí)，有01 / 4f f，在這個(gè)頻段內(nèi)，控制脈沖的時(shí)間間隔比停止時(shí)間小，單步的角速度振蕩不能衰減到零。但是控制脈沖的間隔時(shí)間比自由振蕩周期的四分之一要長(zhǎng)，所以一般有過沖或超調(diào)。在這個(gè)頻段內(nèi)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，初始條件比較復(fù)雜，在不利的情況下可能產(chǎn)生明顯的振蕩，包括0這就是通常所說的低頻共振點(diǎn)。 3. 高頻運(yùn)行狀態(tài) 高頻運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，有4在這個(gè)頻段內(nèi)，控制脈沖的周期小于自由振蕩周期的四分之一 ，所以在這一頻段內(nèi)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，第一步的角位移肯定不會(huì)超過一個(gè)步距角，即產(chǎn)生滯后的動(dòng)態(tài)誤差。電動(dòng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，也就不會(huì)有步進(jìn)的感覺。于是把04為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入高頻運(yùn)行頻域的分界線，也就是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入比較連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行的分界線。 從以上分析可以看出，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。這種由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。為此當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在極低頻運(yùn)行狀態(tài)和低頻運(yùn)行狀態(tài)這兩個(gè)頻段運(yùn)行時(shí)，有必要采用細(xì)分控制技術(shù)，降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和角速度波動(dòng)，提高速度控制精度，減少運(yùn)轉(zhuǎn)噪音，提高電動(dòng)機(jī)使用 20 壽命。 相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本原理 從前一章（ 中 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁模型可知，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩相同時(shí)通電流時(shí)，不計(jì)鐵心飽和的影響，應(yīng)用疊加原理，可得到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩： s i n c o se o a e o b eT k i k i (3兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的距角特性為正弦曲線這一特性非常重要，它是步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 細(xì)分控制得以實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)。 當(dāng)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在某一位置時(shí)，即 0則： s in c o sa e b (3為了實(shí)現(xiàn)恒力矩驅(qū)動(dòng)，并保持力矩輸出為最大值，假設(shè) A 相電流的變化取三角函數(shù)關(guān)系，即： (3則： (3式中 為電動(dòng)機(jī)軸預(yù)置位置的電角度。 則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩式 (3表示為： s i n ( )e o m eT k i 21 (3此時(shí)，兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以作為一臺(tái)多極兩相永磁同步電動(dòng)機(jī)分析，如果轉(zhuǎn)子有它的特性相當(dāng)于一臺(tái) 2p (此例 2p =8)個(gè)極的兩相同步電動(dòng)機(jī)。對(duì)于理想化模型（不計(jì)鐵心飽和的影響），兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子兩相分別通入模擬的正、余弦電流則可得到類似同步機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，使電動(dòng)機(jī)均勻旋轉(zhuǎn)。微步驅(qū)動(dòng)正是用有限的數(shù)字化電流模擬正余弦電流，從而得到比較好的控制效果。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由 轉(zhuǎn)過 090 電角度，電動(dòng)機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。按式 (3電動(dòng)機(jī) A、 當(dāng) 變化 01 ，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過 1/360 的步距角，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的 360 細(xì)分控制。由 的不同就可以確立不同的細(xì)分方式。圖 3 取 /16 步長(zhǎng)，即電動(dòng)機(jī) 8 細(xì)分時(shí)在一個(gè)步距角內(nèi)電機(jī) A、 B 相電流的變化情況。 2 B 相 電 流 理 論 值B 相 電 流 實(shí) 際 值A(chǔ) 相 電 流 理 論 值A(chǔ) 相 電 流 實(shí) 際 值0圖 3、 B 兩相在 8 細(xì) 分時(shí)的電流變化情況 細(xì)分時(shí)兩相電流的值可按下式計(jì)算得到： 22 0090c o s ( )90s i n ( )i i (3其中： n 為細(xì)分?jǐn)?shù)； s 為步數(shù)。 式 (3為兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電細(xì)分?jǐn)?shù)學(xué)模型。由此可見，對(duì)于不同的細(xì)分?jǐn)?shù)，便可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。 由圖 3知，實(shí)際實(shí)現(xiàn)的是一條多階梯的梯形曲線，用來擬合需要的正余 弦曲線，所以也將其稱之為擬正弦曲線。理論上，只要將細(xì)分的步長(zhǎng)設(shè)置得足夠細(xì)（實(shí)際受電動(dòng)機(jī)自身性能與控制器性能的影響不可能一直細(xì)分下去），此時(shí)的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在特性上就是一臺(tái)多極兩相永磁同步電機(jī)。 通過分析，我們可以看到，例如在 8 細(xì)分控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)整步步進(jìn)時(shí)的每一步此時(shí)需要前進(jìn) 8 個(gè)微步，在細(xì)分?jǐn)?shù)提高后電動(dòng)機(jī)每一個(gè)整步需要的微步數(shù)更多，也就是每個(gè)微步的步距角更小。同樣的時(shí)間間隔，電動(dòng)機(jī)整步運(yùn)行時(shí)每前進(jìn)一步，在細(xì)分控制時(shí)就要前進(jìn)許多的微步。這樣當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)采用細(xì)分控制后，就可以降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和角 速度波動(dòng)，從而達(dá)到提高速度控制精度、減少運(yùn)轉(zhuǎn)噪音、提高電動(dòng)機(jī)使用壽命的目的。 于 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)及其實(shí)現(xiàn) 進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案的選擇 23 實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)是減小步距角、提高步進(jìn)分辨率、增加電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性的一種行之有效的方法。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分運(yùn)行時(shí)，細(xì)分的均勻性是首先要考慮的。通常步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)有等電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)和電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法。等電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)法在每次繞組電流進(jìn)行切換時(shí)，不是將繞組電流全部通入或切除，而是在一相繞組電流保持不變的情況下，另一相繞組電流均勻地增大或減小，這樣 電動(dòng)機(jī)的合成磁場(chǎng)只旋轉(zhuǎn)原電弧角的一部分，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度也為步距角的一部分，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。這時(shí)額定電流是臺(tái)階式的通入或切除，電流分成多少個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的次數(shù)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角的細(xì)分。一般情況下，合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。 由于等電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)法在原理上不能保證均勻細(xì)分步距角 ，而步距角不均勻又容易引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩和失步。另外，由于電流矢量的幅值不斷改變，輸出力矩的大小也無法保持恒定。 因此，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)的恒力矩均勻細(xì)分控制，必須合理控制電動(dòng)機(jī)繞組中的電流使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部合成磁場(chǎng)的幅值恒定，而且每個(gè)進(jìn)給脈沖所引起的合成磁場(chǎng)的角度變化也要均勻。 24 我們知道 在空間上彼此相差 2m的 m 相繞組，分別通以相位上相差 2m而幅值相同的 正弦電流，則合成的電流矢量（或磁場(chǎng)矢量，這里認(rèn)為電流矢量與磁場(chǎng)矢量成線性關(guān)系）便在空間作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且幅值保持不變。 目前報(bào)道的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器多采用量化的梯形波、正弦波作為細(xì)分驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電流波形，但事實(shí)上這些電流波形在一般的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上均不能得到滿意的細(xì)分精度 25。本文在選擇了合理的電流波形的基礎(chǔ)上，提出了基于 制的斬波恒流細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案及實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖如圖 3示，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電角度為 090 ，則通入的電流相位也應(yīng)該為 090 。 圖 3相四拍混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的兩相相電流按式 (3化時(shí)，則合成電流矢量 以 25 2 ( ) ( )22j j j j j b i i e e e e e i r r r (3這是一個(gè)以 為幅角。這樣，每當(dāng) 的值發(fā)生變化時(shí)，則合成的矢量轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的角度，且幅值大小保持不變，實(shí)現(xiàn)了恒力矩、均勻步距角的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。利用 式 (3得到 n 細(xì)分后 A、 化后制成表格的形式存入 進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，只要從表中取出與步數(shù) s 相對(duì)應(yīng)的電流數(shù)據(jù)送入控制電路中，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相繞組電流的控制，從而達(dá)到細(xì)分步距角的目的。 其硬件電路設(shè)計(jì) 為了簡(jiǎn)化電路，減小體積，本文采用了 制細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的方案。 制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)末級(jí)功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開關(guān)型兩種。放大 型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中末級(jí)功放管的輸出電流直接受 出的電壓控制，電路較為簡(jiǎn)單，電流的控制精度也較高，但是由于末級(jí)功放管工作在放大狀態(tài)，使功放管的功耗較大，發(fā)熱嚴(yán)重，容易引起晶體管的溫漂影響驅(qū)動(dòng)電路的性能。甚至還可能由于晶體管的熱擊穿，使電路不能正常工作。因此該電路一般應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)電流較小、控制精度較高、散熱情況較好的場(chǎng)合。 開關(guān)型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路有斬波式和脈寬調(diào)制（ 兩 26 種。斬波式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路不斷對(duì)電機(jī)繞組中的電流進(jìn)行檢測(cè)，并通過反饋電阻轉(zhuǎn)換為電壓形式，然后和 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的控制電壓進(jìn)行比較，若檢測(cè)出的值大于控制電壓，電路將使功放管截止，反之，使功放管導(dǎo)通，這樣保證了繞組兩端的電壓與 D/寬調(diào)制（ 細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路是把 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的控制電壓加在脈寬調(diào)制電路的輸入端，脈寬調(diào)制電路將輸入的控制電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)脈沖寬度的矩形波，通過對(duì)功放管通斷時(shí)間的控制，改變輸出到電機(jī)繞組上的平均電流。 斬波恒流細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案的原理為：由 出 存儲(chǔ)的細(xì)分電流控制信號(hào)，經(jīng) D/與取樣信號(hào)進(jìn)行比較，形成斬波控制信號(hào)，控制各功率管前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)繞組中電流的閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)步距的精確細(xì)分。系統(tǒng)框圖如圖 3示。 27 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 P 微處理器前級(jí)驅(qū)動(dòng)和功放電路斬波比較電路D / / 濾 波 /放大電路保護(hù)電路參數(shù)輸入狀態(tài)顯示通訊接口件系統(tǒng)原理圖 由前面分析可知，為了克服諸多不利因素，我們選擇處理速度很快、接口功能強(qiáng)大、片上資源豐富，非常適合用于各種監(jiān)測(cè)與控制的美國(guó)德州儀器公司 （ 為檢測(cè)控制單元的處理器。 司的 列 有改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，可以通過外部總線分別訪問數(shù)據(jù)、程序、 I/O 三個(gè)獨(dú)立的尋址空間，其具體的片上資源和技術(shù)特點(diǎn)如下： (1) 高性能的靜態(tài) 術(shù)， 4種用于減少功耗的省電方式 (2) 5020指令周期 (3) 存儲(chǔ)器 片內(nèi)由 544 字節(jié)的雙口 28 16K 字節(jié)的 共 244K 字節(jié)的存儲(chǔ)器尋址空間 (64K 字節(jié)的程序空間， 64 64K 字節(jié)的 I/O 空間和 32K 字節(jié)的全局空間 )； (4) 事件管理器 ( 12 個(gè)比較 /脈寬調(diào)制 (道； 3 個(gè) 16位通用定時(shí)器； 3 個(gè) 16位全比較和簡(jiǎn)單比較單元； 4 個(gè)捕獲單元，其中兩個(gè)具有直接連接正交編碼器脈沖的能力； (5) 2 個(gè) 8通道 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (6) 28 個(gè)獨(dú)立可編程多路復(fù)用 I/O 引腳 (7) 帶適時(shí)中斷 (看門狗 (時(shí)器模塊 (8) 異步串行通訊接口 9) 同步串行外設(shè)接口 10)基于掃描的仿真 面就對(duì)基于 制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)主要電路分別加以介紹。 29 由 振電路、地址鎖存器、譯碼器、 控步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分倍數(shù)、啟停頻率、運(yùn)行頻率、行走步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、電動(dòng)機(jī)清零、以及啟停信號(hào)等的控制既可由鍵盤進(jìn)行，也可通過與上位機(jī)的串行口通信通道由上位機(jī)設(shè)置。狀態(tài)顯示提供當(dāng)前通電相、相電流大小、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間、當(dāng)前運(yùn)行步數(shù)、正反轉(zhuǎn)等的顯示，并將工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。單 片機(jī)的主要功能是輸出 。根據(jù)轉(zhuǎn)換精度的要求， D/位的，亦可選擇 12位的。本系統(tǒng)選用 位 D/16。 16把 4個(gè) D/個(gè)比較器組合在單個(gè)的 C(上， 4個(gè) D/個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓均可采用下式表示： / 2 5 6D A C i R E N (30 ,1, ., 2 5 6N ，對(duì)應(yīng)于 8位的 輸入碼 0D 7D （此處為細(xì)分電流控制信號(hào)），通過調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組中電流的幅值。 2功率驅(qū)動(dòng)電路 工作中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分電流控制信號(hào)的 D/A 轉(zhuǎn)換值0 16 內(nèi)部各比較器 同向輸入端，繞組電流取樣信號(hào)反向輸入端。斬波恒流驅(qū)動(dòng)采用固定頻率的方波與比較器輸出信號(hào)調(diào)制成斬波控制信號(hào)，控制繞組的通電時(shí)間，使反饋電壓。合理選擇續(xù)流回路就可使繞組中的電流值在一定的平均值上下波動(dòng)，且波動(dòng)范圍不大。 調(diào)制用方波信號(hào)頻率為 產(chǎn)生，且各相是同頻斬波， 不會(huì)產(chǎn)生差拍現(xiàn)象，所以消除了電磁噪聲。為防止因比較器漂移或干擾導(dǎo)致功率開關(guān)管誤導(dǎo)通，把斬波控制信號(hào)與相序控制信號(hào)相與后去控制功放管。 當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，并聯(lián) 恢復(fù)續(xù)流二極管 D、繞組 L 及主電源構(gòu)成泄放回路。與單純 R 釋能電路相比 ， 能電路使功耗和電流紋波增加較小，而電流下降速度大大加快。電流取樣信號(hào)由精密電流傳感放大器 71 完成。當(dāng)繞組電流流過其內(nèi)部 35精密取樣電阻時(shí)，經(jīng)內(nèi)部電路變化，轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號(hào)： ( 5 0 0 / )o u t o u t L O A I A A (3其中71 外部調(diào)壓電阻，阻值按設(shè)計(jì)要求選定。71 同時(shí)具有電流檢測(cè)與放大功能，從而大大方便了整個(gè)電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試。 功率開關(guān)管 (功放管 )是功放電路中的關(guān)鍵部分，影響著整個(gè)系統(tǒng) 31 的功耗和體積。由于所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器主要用來驅(qū)動(dòng)額定電流 3A、額定電壓 27V 以下的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，故選用高頻 率場(chǎng)效應(yīng)晶體管40 (00V，7A)作為開關(guān)管。 40導(dǎo)通電阻很小。因此，即使電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，該 殼本身的溫度比較低，不須外加風(fēng)扇。 為了提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作可靠性，消除電機(jī)電感性繞組的串?dāng)_，本系統(tǒng)無論從驅(qū)動(dòng)部分還是反饋部分都進(jìn)行了隔離。驅(qū)動(dòng)隔離采用高速光耦合 器 6隔離元件，一方面可以實(shí)現(xiàn)前級(jí)控制電路 同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的隔離，另一方面使功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)變得方便可靠。反饋通道的濾波部分采用無源低通濾波器，其作用是高速衰減繞組 (電感線圈 )在開關(guān)時(shí)截止頻率以上的瞬時(shí)高頻電壓信號(hào)，從而避免控制電路做出太迅速的反應(yīng)，可以有效地防止步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩。線性光耦電路的作用是將濾波后的采樣電阻反饋信號(hào)線性地傳輸給比較器。 3恒流斬波控制環(huán)節(jié) 如圖 3示，本系統(tǒng)采用德州儀器公司的 實(shí)現(xiàn)恒流斬波功能，其核心部分為脈沖寬度比較器，并具有 1 個(gè)振蕩器、 2 個(gè)運(yùn)算放大器、 1個(gè)觸發(fā)器和 1個(gè) 5壓源等，其 5、 6 腳外接 T 確定了振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波頻率。在實(shí)際應(yīng)用中 定了振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波頻率。在實(shí)際應(yīng)用中采用其中一個(gè)運(yùn)算放大器作為恒流 32 斬波的控制單元，電流給定由一個(gè)運(yùn)算放大器 成的射極跟隨器給出，實(shí)現(xiàn)了恒流給定與 內(nèi)部運(yùn)算放大器的隔離，提高了給定的抗干擾能力。調(diào)節(jié)器采用 流反饋經(jīng)過一階低通濾波接至運(yùn)算放大器的 1 腳，增加了電流檢測(cè)的抗干擾能力； 4 腳為死區(qū)控制端，在該端加入 下的電壓后可將 最大占空比提高到 100%，減少功率管的開通和關(guān)斷損耗。 1 21 51 071 691 381 11 4321I C 1 1R 3 6I C 1 2 : 1 6 : 2R 4 8C 1 9R 4 0C 2 0P 2R 6 0R 4 3C 1 8C 1 7R 3 7R 4 7P 3R 4 14 6523231+斬 波 信 號(hào)V S 0- I N 1F 1 E C 1V C C+ I N 2E 2G N N 2E 1O 0R 3 8圖 3恒流斬波控制電路 本系統(tǒng)采用“上斬下不斬”的驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)恒流斬波功能，下面僅以一個(gè)工作節(jié)拍為例來說明調(diào)節(jié)原理，如圖 3示。在 間 ，則 高，大于鋸齒波電壓，則 8腳輸出為高電平，則 為 33 無效電平，關(guān)斷 直降到 刻又開始了下一斬波周期，從而實(shí)現(xiàn)了恒流斬波調(diào)節(jié)。 t/t2 t3 3流斬波工作原理 4電流反饋電路設(shè)計(jì) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) A、 B 相繞組電流的采樣信號(hào)從功率驅(qū)動(dòng)電路的個(gè)采樣點(diǎn)以電壓的形式輸出，由于采樣電阻為 2W，所以對(duì) 2A 的繞組電流輸出的電 壓即為 1V，因?yàn)槔@組電流存在正反向，則輸出電壓也存在正反向。這一電壓需要送到電流反饋電路進(jìn)行限幅、偏置等處理。 6547T L 0 8 42 7 7 v+5 7 7 F H 0 8 4R S 1R 1 2R 1 3R 1 1R 1 0電流反饋電路 圖 3 A 相電流反饋電路， B 相電流反饋電路與之相同。從圖 34 中可以看到，在第一級(jí)運(yùn)算放大器輸入電壓0 0161(3通過調(diào)節(jié)可變電阻 1按比例調(diào)節(jié)0反饋電壓的幅值在某一個(gè)范圍內(nèi)變化，第二級(jí)運(yùn)算放大器為一升壓電路，使其輸出電壓2 2161a a R E F H (3通過第二級(jí)運(yùn)算放大器可以使輸出到 3 5過電流保護(hù)電路設(shè)計(jì) 為防止燒毀 片需要對(duì)其數(shù)字電源進(jìn)行過電壓 /欠電壓保護(hù)，這里使用了芯片 具有的過電壓和欠壓保護(hù)功能，這里不再詳述。另外本系 統(tǒng)需要保護(hù)的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，為防止步進(jìn)電動(dòng)機(jī)故障燒毀，系統(tǒng)必須在電動(dòng)機(jī)繞組電流過高時(shí)停止對(duì)電動(dòng)機(jī)供電。為此設(shè)計(jì)了過電流保護(hù)電路如圖 3示。 42312 . 9 3 5 8R 1 6R 1 3 7 5 圖 3動(dòng)機(jī)電流保護(hù)電路 如圖 3示，過電流保護(hù)電路采用了 較器，由兩只分壓電阻 5V 電壓分壓至 1V，送到比較器同相端。 電流采樣電路送來的 A、 B 兩相電流信號(hào)經(jīng)過兩只二極管送比較器反向端，比較器輸出 信號(hào)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后送處理器的 腳。平時(shí)比較器反向端的電壓較低，所以比較器輸出 都是高電平。以 何一處的電壓超過 輸出一低電平。這個(gè)低電平信號(hào)將在 片內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)最高等級(jí)的中斷，使 號(hào)停止輸出，則電動(dòng)機(jī)斷電。電阻 電容構(gòu)成一個(gè)濾波環(huán)節(jié)，防止系統(tǒng)因外界干擾而誤觸發(fā)。由于電動(dòng)機(jī)繞組電流采樣電阻為 ，對(duì)應(yīng)于 動(dòng)機(jī)電流為 此當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流超過 系統(tǒng)將保護(hù)動(dòng)作。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的軟件主要由主控程序、細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序、鍵處理程序、顯示數(shù)據(jù)處理及顯示驅(qū)動(dòng)程序、通信監(jiān)控程序等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖 3示。 36 主程序細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序監(jiān)控程序鍵處理程序顯示程序圖 3制軟件結(jié)構(gòu)框圖 下面對(duì)于細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)中的主要問題分別加以介紹。 （ 1）主程序。主要包括各個(gè)中斷出入口的定義、各個(gè)模塊初始化、微步進(jìn)步長(zhǎng) s 的計(jì)算、電流差值的求取、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的確定、外部命令信號(hào)的采集和處理以及 號(hào)生成等內(nèi)容。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制軟件主程序在 所有初始化后就打開 行通訊中斷，讀取上位機(jī)發(fā)送來的各種外部信號(hào)，這些信號(hào)包括電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向選擇、轉(zhuǎn)速大小選擇、開機(jī) /停機(jī)信號(hào)。以及通過讀取撥位開關(guān)確定電動(dòng)機(jī)給定電流的峰值大小。在轉(zhuǎn)速由上位機(jī)給定后，最關(guān)鍵的任務(wù)就是計(jì)算細(xì)分步長(zhǎng) s。計(jì)算細(xì)分步長(zhǎng) s 的工作主要按以下步驟完成24。 第一步，求事件管理器 A 的 時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率。本設(shè)計(jì)選用時(shí)器 存器的計(jì)數(shù)周期為 256，由于 時(shí)鐘頻率為8以 時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率為： / 2 5 6 3 1 2 5 0 (3 37 第二步，求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖頻率。以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 240 轉(zhuǎn) /分鐘計(jì)算，假設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為 則可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)脈沖頻率為： 00( 2 4 0 / 6 0 ) * 3 6 0 / 1 . 5 9 6 0 (3第三步，求得電動(dòng)機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)為： / 3 1 2 5 0 / 9 6 0 3 2f f (3第四步，求步長(zhǎng)值： 2 5 6 / 8 (3在步長(zhǎng)值求出后，就可以查表求出電流給定的基值，結(jié)合電動(dòng)機(jī)給定電流的峰值輸入，就可以確定電流的給定值。再讀取電流反饋 出的差值經(jīng) 成 號(hào)后，結(jié)合 電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)輸出一起送到電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，主程序具體的流程如圖 3示。 38 開始D S P 內(nèi) 部 寄 存器初始化A D C 模 塊初始化E V A 初 始 化S C I 初 始 化讀上位機(jī)輸入信息確定給定電流峰值確定細(xì)分步長(zhǎng) D C 電 流信號(hào)實(shí)際值求差值，生成斬波信號(hào)P W M 、 I / 應(yīng)中斷，停機(jī)停機(jī)？停機(jī)程序流程圖 在主程序中電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向由 I/ （ 2）函數(shù)表的形成。 本文采用了類似于文 24中的方法。在實(shí)時(shí) 用中實(shí)現(xiàn)非線性運(yùn)算，一般都采取適當(dāng)降低運(yùn)算精度來提高程序的運(yùn)算速度。查表 39 法是快速實(shí)現(xiàn)非線性運(yùn)算最常用的方法。采用這種方法必須根據(jù)自變量的范圍和精度制作一張表格。顯然，輸入的范圍越大，精度要求越高，則所需的表格就越大。查表法所需的表格就越大，即存儲(chǔ)量也越大。查表 法求值所需的計(jì)算就是根據(jù)輸入值確定表的地址，根據(jù)地址就可以得到相應(yīng)的值，因而運(yùn)算量較小。對(duì)于正余弦函數(shù)而言，由于正弦函數(shù)是周期函數(shù)，函數(shù)值在 1 和 1 之間，用查表法比較適合。 在 處理器中，采用定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，其操作數(shù)采用整型數(shù)來表示。一個(gè)整型數(shù)的最大表示范圍取決于 長(zhǎng)越長(zhǎng)，所能表示的數(shù)的范圍越大，精度也越高。本設(shè)計(jì)采用 16 位字長(zhǎng)。采用的定點(diǎn)數(shù)定標(biāo)為 定點(diǎn)運(yùn)算方式可參考有關(guān)技術(shù)資料。 表示范圍為 32767 32768 之間， 此時(shí) 1 用 32767 來表示， 1 用 32767 來表示。對(duì)于正弦函數(shù) )，制作一個(gè) 512 點(diǎn)的表格并實(shí)現(xiàn)查表的方法如下： 首先，產(chǎn)生 512 點(diǎn)值的 C 語言程序如下表示： #N 512 #512 12 ) i； 40 i=0； 表 1 細(xì)分電流數(shù)讀 表 2 細(xì)分電流數(shù)選擇相序s128？讀 表 1 細(xì)分電流數(shù)讀 表 2 細(xì)分電流數(shù)細(xì)分計(jì)數(shù)器減1到達(dá)細(xì)分?jǐn)?shù)？56 細(xì)分時(shí)的軟件流程圖 （ 4） A/D 轉(zhuǎn)換程序模塊。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ 有以下特性： 帶內(nèi)置 S/H 的 10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 多達(dá) 16 個(gè)模擬輸入通道（ 自動(dòng)排序的能力，一次可執(zhí)行最多 6 個(gè)通道的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，每次 42 轉(zhuǎn)換的通道可以通過編程選擇； 可單獨(dú)訪問 的 16 個(gè)結(jié)果寄存器（ 來存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果，多個(gè)觸發(fā)源可以啟動(dòng) 換； 靈活的中斷控制允許在每一個(gè)或隔一個(gè)序列的結(jié)束時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求； 內(nèi)置校驗(yàn)?zāi)Ｊ胶妥詼y(cè)模式； 由于 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為10 位數(shù)字量，電動(dòng)機(jī)電流的最大值由撥碼開關(guān)設(shè)定，此處假設(shè)為 電動(dòng)機(jī)繞組正向通電時(shí)檢測(cè)到的電壓為 應(yīng)的數(shù)字量為1024。電動(dòng)機(jī)繞組反向通電時(shí)檢測(cè)到的電壓為 經(jīng)過偏置后輸出電壓為 應(yīng)的數(shù)字量為 0。另外， 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ 用級(jí)連工作方式下自動(dòng)排序，在這種工作方式下 以通過模擬輸入通道的多路選擇器 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)換后的數(shù)值結(jié)果保存在該通道相應(yīng)的結(jié)果寄存器 （ 中。 在一個(gè)排序中的轉(zhuǎn)換個(gè)數(shù)受 位段域控制，這個(gè)值在自動(dòng)排序開始時(shí)被裝載到自動(dòng)排序狀態(tài)寄存器中，當(dāng)排序器從通道 1 開始有順序的轉(zhuǎn)換時(shí)，自動(dòng)排序狀態(tài)寄存器的值向下遞減直至為 0。 換模塊所有需 要轉(zhuǎn)換的 號(hào)以及轉(zhuǎn)換通道 43 選擇見表 3 表 3換通道設(shè)置 屬通道 最輸入信號(hào) 均結(jié)果寄存器 最信號(hào)內(nèi)容 存器設(shè)置 4A 相電流 B 相電流 5 轉(zhuǎn)速給定 電流峰值給定 由于在電動(dòng)機(jī)控制器的 號(hào)中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩相電流的采樣至關(guān)重要，所以在每一次 道循 環(huán)采樣過程中對(duì)通道 樣兩次，并取兩次采樣的平均值作為電動(dòng)機(jī)電流的檢測(cè)