1 引言
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將離散的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置，它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，是一種輸入與輸出脈沖對(duì)應(yīng)的增量驅(qū)動(dòng)元件。它具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。但其步矩角較大，一般為1.5"3°，往往滿足不了某些高精度定位、精密加工等方面的要求。

實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)是減小步矩角、提高步進(jìn)分辨率、增加電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)的一種行之有效的方法。目前步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制，多采用量化的梯形波、正弦波作為細(xì)分驅(qū)動(dòng)的電流波形，但實(shí)際上這些電流波形一般在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上均不能得到滿意的細(xì)分精度。

在合理選擇電流波形的基礎(chǔ)上，提出用AT89C52單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)斬波恒流細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案，其運(yùn)行功率小，可靠性高，通用性好，細(xì)分精度高，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

2 細(xì)分電流波形的選擇及量化
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)電機(jī)的勵(lì)磁繞組中的電流控制，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)步矩角的細(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，相鄰兩個(gè)合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角大小決定了步矩角的大小。因此，想要實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的恒力矩均勻細(xì)分控制，必須合理控制步進(jìn)電機(jī)繞組中的電流，使電動(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。我們知道在空間彼此相差2π/m的m 相繞組，分別通以相位上差2π/m而幅值相同的正弦電流，則合成的電流矢量便在空間做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且幅值保持不便。這一點(diǎn)對(duì)于反映式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說比較困難，因?yàn)榉磻?yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說比較困難，因?yàn)榉从呈讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)只與繞組電流的絕對(duì)值有關(guān)，而與電流的正反流向無關(guān)。以比較經(jīng)濟(jì)合理的方式對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)步矩角的任意細(xì)分，繞組電流波形宣采用如圖1所示的形式

其中，α為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的角度。 ib滯后于ia 2π/3, ic超前于ia 2π/3。此時(shí)，合成電流矢量在所有區(qū)間，從而保證合成磁場(chǎng)幅值的恒定，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在這種情況下也最平穩(wěn)。將繞組電流根據(jù)細(xì)分倍數(shù)均勻量化后，所得細(xì)分步矩角也是均勻的。為了進(jìn)一步得到更加均勻的細(xì)分步矩角，可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)取一組在通入量化電流波形時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分步矩的數(shù)據(jù)，然后對(duì)其誤差進(jìn)行插值補(bǔ)償，求得實(shí)際的補(bǔ)償電流曲線，這些工作大部分可以由計(jì)算機(jī)來完成。在取得矯正后的量化電流波形之后，以相應(yīng)的數(shù)字量?jī)?chǔ)存于E?PROM 中的不同區(qū)域，量化的程度決定了細(xì)分驅(qū)動(dòng)的分辨率。

3 細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案及硬件實(shí)現(xiàn)
斬波恒流細(xì)分驅(qū)動(dòng)的方案的原理為：由單片機(jī)輸出 E?PROM  中儲(chǔ)存的細(xì)分電流控制信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，再取樣信號(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)步矩的精確細(xì)分。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

3.1 控制電路
控制電路主要由AT89CT52單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、D/A轉(zhuǎn)換、E?PROM及可編程鍵盤/顯示控制器Intel8279等組成，單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心。受控步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分倍數(shù)、運(yùn)行脈沖、正反轉(zhuǎn)、運(yùn)行速度、單次運(yùn)行線位移、啟/停等的控制即可由鍵盤輸入，也可通過與上位機(jī)的串行通信接口由上位機(jī)設(shè)置。狀態(tài)顯示提供當(dāng)前通電電動(dòng)機(jī)、機(jī)電流大小、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間、正反轉(zhuǎn)、當(dāng)前運(yùn)行速度、線位移及相關(guān)計(jì)數(shù)等的顯示，并將工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。

傳感器（霍爾傳感器）由于檢測(cè)計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值。單片機(jī)的主要功能是輸出E?PROM中儲(chǔ)存的細(xì)分電流控制信號(hào)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。根據(jù)轉(zhuǎn)換精度的要求，D/A轉(zhuǎn)換器即可以選擇8位的，也可以選擇12位的。本驅(qū)動(dòng)的控制器選用的是8位的D/A轉(zhuǎn)換器MAX516。MAX516把4個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器與4個(gè)比較器組合在單個(gè)的CMOS IC（DIP20封裝）上4個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器共享一個(gè)參考輸入電壓UREF均可采用下式表示#p#分頁標(biāo)題#e#
             UDACi=UREFN/256
式中  N=0，1，…，255

N對(duì)應(yīng)于8位的DAC輸入碼D0～D7（此處為細(xì)分電流控制信號(hào)）。通過、調(diào)節(jié)UREF的變化范圍，便可調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組中電流的幅值。

3.2  功率驅(qū)動(dòng)電路
工作中，步進(jìn)電機(jī)組分電流控制信號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換值Ui輸入到MAX516內(nèi)部各比較器COMPi的同向輸入端。繞組電流取樣信號(hào)Ui輸入到COMPi的反向輸入端。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Ui始終跟隨D/A轉(zhuǎn)換輸出的控制電壓Ui。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21.7KHz，由AT89C52的P2.5/PWM端產(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)致的功率開關(guān)誤導(dǎo)通，把斬波控制信號(hào)與像序控制信號(hào)相“與”后去控制功放管。當(dāng)開關(guān)截止時(shí)，并聯(lián)RC、恢復(fù)復(fù)續(xù)流二級(jí)管VD、繞組L及主電源構(gòu)成泄放回路。與單純電阻釋能電阻相比，RC釋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MAX471完成。當(dāng)繞組電流流過其內(nèi)部35mΩj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)

            VOUT=ROUT×（ILAOD×500μA/A）
其中ROUT為MAX471外部調(diào)壓電阻，阻值按設(shè)計(jì)要求選定；ILAOD為流過精密電阻的相繞組電流。MAX471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)鍵元件，影響著整個(gè)系統(tǒng)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以下的步近電動(dòng)機(jī)，故選用高額VMOS功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管IRF594（UDS=100V，RDS（ON）=0.052Ω，ID=27A）作為開關(guān)管。IRF504導(dǎo)通電阻很小，因此，即使電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，該VMOS管殼本身的溫度也比較低，無須外加風(fēng)扇。為了提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作可靠性，消除電動(dòng)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)隔離采用了高速光電耦合器6N137為隔離元件，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)變的方便可靠。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)可以有效的的防止步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩。線性光偶合電路的作用是將濾波后的采樣電阻反饋信號(hào)線性的傳輸給比較器。

4 軟件設(shè)計(jì)
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制的軟件主要由主控程序、細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序、鍵處理程序、顯示驅(qū)動(dòng)程序、監(jiān)控程序等部分組成。細(xì)分驅(qū)動(dòng)主控制程序控制整個(gè)程序的流程，主要完成驅(qū)動(dòng)的初始化、中斷方式的設(shè)置、計(jì)數(shù)器工作方式的設(shè)計(jì)及相關(guān)子程序的調(diào)用等。初始化包括8279各寄存器、8279的顯示RAM、AT89C52的中斷系統(tǒng)及內(nèi)部RAM等。在AT89C52的各中斷中，使用了INT1、T0、和T1這3個(gè)中斷，其中，INT1為高優(yōu)先級(jí)，在運(yùn)行狀態(tài)下當(dāng)有停止鍵按下時(shí)，則INT1中斷服務(wù)程序?qū)0關(guān)閉，從而使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止，T0控制每一步的步進(jìn)周期，該服務(wù)程序基本上只作重置定時(shí)期和置標(biāo)志位的操作，而其他操作均在主程序中完成。其流程圖如圖3所示。細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序中，細(xì)分電流控制信號(hào)的輸出采用單片機(jī)片內(nèi)E?PROM軟件查表法，用地址選擇來實(shí)現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細(xì)分，從而實(shí)時(shí)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角位置，其流程圖如圖4所示。

 #p#分頁標(biāo)題#e#

5 結(jié)束語
本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)恒力矩細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制器，最高細(xì)分達(dá)到256細(xì)分，能夠適應(yīng)大多數(shù)中小微型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的可變細(xì)分控制較高細(xì)分步距角精度及平滑運(yùn)行等要求。
該驅(qū)動(dòng)控制器已用于我們的校內(nèi)科研基金項(xiàng)目“全自動(dòng)高精度線圈切割機(jī)”的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中。該切割機(jī)的拖動(dòng)執(zhí)行元件為三相6拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其粗步距角為1.5°，軸齒輪直徑為32mm，故步進(jìn)電動(dòng)機(jī)送料的粗步進(jìn)位移為：     πd×1.5/360=419μm。為進(jìn)一步提高切割機(jī)定位精度和系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)性，采用上述細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制，細(xì)分級(jí)數(shù)為16時(shí)，切割定位精度為26.2μm。從運(yùn)行實(shí)際的情況看，該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了較高的穩(wěn)速精度和切割精度慣性小，運(yùn)行可靠，取得了滿意的效果。