步进电动机的控制（共8篇）
步进电动机的控制 篇1
0 引言
步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机, 是一种典型的机电一体化器件。步进电动机可以接收数字脉冲信号并将其转变为角位移或线位移。由于不必进行数模转换, 使用起来非常方便, 广泛应用于阀门控制、数控机床、绘图仪、打印机以及光学仪器等需要高定位精度及高灵活控制性的系统中。
步进电动机运行时要求把有相当功率的时序脉冲按要求的逻辑馈送给它的各个控制绕组, 且为了实现步进电动机的调速, 要求能够改变送给各个控制绕组的时序脉冲的频率。通常采用硬件方式或嵌入式系统软件编程的方式实现。传统的硬件电路存在体积大、设计后的电路不易修改等缺点。而嵌入式系统软件编程的方式存在占用I/O端口较多、耗费系统运行时间较多等弊端。
FPGA融合了上述2种控制方式的优点, 它可以通过EDA软件由硬件描述语言如VHDL、Verilog HDL等来编写代码, 然后用模拟器验证其功能, 再将设计代码编译下载到FPGA中实现系统硬件功能。FPGA具有丰富的可编程I/O引脚、在线可编程、使用方便灵活的特点, 因此, 笔者设计了一种基于FPGA的四相步进电动机控制器, 以实现对四相步进电动机的调速控制。
1 四相步进电动机控制器原理
步进电动机在非超载情况下, 其转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数, 而不受负载变化的影响, 即给电动机加一个脉冲信号, 步进电动机就按设定的方向转动一个固定的角度。所以通过控制电脉冲的频率可以调节电动机运转的速度和加速度, 从而实现步进电动机的精确调速。此外, 还可以通过控制步进电动机绕组的通电顺序来实现步进电动机的正反转控制。
1.1 实现原理
基于FPGA的四相步进电动机控制器的各模块是在MaxplusII软件里采用Verilog HDL语言编程实现的, 经验证无误后再转化成图形元件, 最后将图形元件连接成顶层电路图, 如图1所示。
如图1所示, 该控制器主要由接口模块decode、基准时钟模块clk10div、步进电动机频率产生模块clkdiv2motor以及四相步进电动机脉冲产生模块motor构成。其中接口模块提供8位数据总线、3位地址线以及片选、写信号、复位信号等外部接口, 接收外部控制系统送来的控制命令, 如脱机、复位、正反转数据以及控制步进电动机转速的16位计数初值, 外部控制器通过8位数据总线、2个地址分别送2次8位计数初值得到FPGA内部的16位计数初值。基准时钟模块产生频率为1 MHz (周期为1 μs) 的基准脉冲信号。步进电动机频率产生模块通过对1 μs基准脉冲进行16位计数产生四相步进电动机脉冲模块所需要的时钟信号, 而该时钟信号的频率也就是步进电动机的运行频率, 这样通过改变外部控制器送来的16位计数初值就改变了步进电动机的运行频率, 实现了步进电动机的调速。四相步进电动机脉冲产生模块在步进电动机频率产生模块输出时钟以及接口模块的正反转信号控制下产生步进电动机4个控制绕组所需要的四相八拍时序脉冲信号。
1.2 步进电动机频率产生模块
由于步进电动机平稳运行所需要的脉冲周期在0.1～100 ms之间, FPGA外接晶振频率远远大于步进电动机的运行频率, 所以需要先对FPGA外接的晶振分频, 由此得到一个1 μs的基准时钟, 并由该时钟驱动步进电动机频率产生模块。
步进电动机频率产生模块主要由一个16位计数器构成, 在1 μs基准时钟的驱动下完成接口模块送来的16位计数初值的计数任务, 并产生四相步进电动机脉冲产生模块所需要的时钟信号。改变接口模块送来的定时初值即改变该模块的分频输出时钟, 从而可改变步进电动机的转速。FPGA内部步进电动机频率产生模块的最大定时周期为1 μs× (216×2) =131 072 μs, 通常步进电动机平稳运行所需要的脉冲周期在0.1～100 ms之间, 所以16位定时初值确定的最大定时周期是完全能满足实际需要的。
步进电动机频率产生模块实现的源代码 (VerilogHDL) 如下:
其仿真波形如图2所示。设定输入定时初值为01F4H (十进制500) , 即1 μs计数1 000次得到1 ms输出时钟。
1.3 四相步进电动机脉冲产生模块
四相步进电动机的驱动需要输入4路时间上有特定顺序的脉冲, 分别对应电动机绕组的A、B、C、D相。在八拍工作方式下其正向运转的通电顺序:A相通电, B、C、D相不通电;A、B相通电, C、D相不通电;B相通电, A、C、D相不通电;B、C相通电, A、D相不通电;C相通电, A、B、D相不通电;C、D相通电, A、B相不通电;D相通电, A、B、C相不通电;D、A相通电, B、C相不通电。四相八拍工作方式正向运转简化描述为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA, 反向运转为DA-D-CD-C-BC-B-AB-A。若通电为高电平“1”, 不通电为低电平“0”, 正向输出数据则为08H-0AH-02H-06H-04H-05H-01H-09H, 反向输出数据为09H-01H-05H-04H-06H-02H-0AH-08H。
四相步进电动机脉冲产生模块输出4位phase[3…0]信号, 其中phase3接步进电动机绕组的A相, phase2接步进电动机绕组的C相, phase1接步进电动机绕组的B相, phase0接步进电动机绕组的D相。四相步进电动机脉冲产生模块主要由内部的一个有限状态机构成, 状态转换如图3所示。在图3中, S0表示步进电动机的初始状态, 即S0代表状态机输出的08H, S1～S7则分别代表状态机输出的02H、06H、04H、05H、01H、09H。当方向控制信号Direction=1时, 状态机在一个时钟的驱动下输出S1即输出0AH, 当时钟连续驱动时, 状态机依次输出S2、S3、S3、S4、S5、S6、S7, 也即状态机输出08H-0AH-02H-06H-04H-05H-01H-09H, 即电动机正向转动时序;方向控制信号Direction=0时, 状态机依次输出S7、S6、S5、S4、S3、S2、S1, 也即状态机输出09H-01H-05H-04H-06H-02H-0AH-08H, 即电动机反向转动时序。
四相步进电动机脉冲产生模块的输出仿真波形如图4所示。当控制步进电动机的工作频率为1 kHz (即输入时钟周期为1 ms) , 复位信号reset无效 (低电平) , 方向信号ccw=0 (正向转动) 。
2 应用示例
基于FPGA的四相步进电动机控制器的应用示例框图如图5所示。外部控制器件采用AT89S52单片机, 功率放大器采用LN298, 步进电动机采用42BYG-007型二/四相混合式步进电动机。AT89S52通过8位数据总线、3位地址总线以及写信号wr、片选信号cs与FPGA连接;外部10 MHz晶振进入FPGA后分频得到1 μs基准脉冲;FPGA输出的4位phase[3…0]经过光耦隔离和功率放大器后驱动步进电动机。
设要控制步进电动机的转速为每秒500脉冲, 方向为正转, AT89S52写入以下指令即可通过该控制器实现对四相步进电动机的控制:
当AT89S52执行上述指令后, 即控制FPGA内部逻辑产生步进电动机运转所需的控制绕组的时序脉冲的频率、方向等参数, 使得步进电动机按照转速为每秒500脉冲正向转动方向进行运转。AT89S52无需再对步进电动机各个控制绕组的时序脉冲的频率进行控制, 减轻了AT89S52控制的软件开销, 且由FPGA内部实现步进电动机的控制逻辑, 也使得步进电动机的运行效果稳定可靠。
3 结语
本文介绍的基于FPGA的四相步进电动机控制器, 由于其内部包含了步进电动机启动、转速、正反转、脱机、复位等控制操作, 对于外部控制系统而言, 如同操作外设一样, 只需要配置相关寄存器即可由FPGA内部产生步进电动机运行时所需的控制信号, 这样减轻了外部控制系统操作步进电动机的软件开销, 提高了嵌入式系统运行的效率。仿真和实践结果表明, 该控制器控制灵活、调速范围大、精度高、运行稳定可靠。
参考文献
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步进电动机的控制 篇2
过去的电气控制技术主要以低压继电触器为主，控制方便简单，但很难大范围深度地使用。目前，先进的电气控制技术主要有现场总线技术、伺服系统技术、人机界面技术、PLC控制技术等，控制方式及其系统有PLC控制系统、自动控制系统、DCS集散系统、FCS现场总线控制系统等。其中伺服系统是自动控制系统中的一类，它是伴随控制论、微电子、和电力电子等技术应用而发展起来的，最早出现于20世纪。近十几年，新技术革命使伺服系统及其技术突飞猛进，其应用几乎遍及社会各个领域，所以其重要性不言自明。
二、步进伺服系统
电气控制中伺服系统有速度伺服控制和位置伺服控制，可以有交流伺服、直流伺服、步进伺服、液压伺服、气压伺服等。采用步进电机控制的伺服系统称为步进伺服系统，是一种将电脉冲信号转换成角位移的系统。可在宽广的范围内调速。特别适合于开环控制。又因步进电动机输出轴的角位移与输入脉冲成正比，转速与脉冲频率成正比，转向与通电相序有关，当它转一周后，没有积累误差，具有良好的跟随性，因此步进伺服系统具有很好的实用性。
（一）步进伺服系统的组成
步进伺服系统主要由指令脉冲信号、步进电动机驱动电路、步进电机、步进电机扭矩放大器、执行机构、反馈环节等组成。
（二）步进伺服系统的分类及基本特征
没有反馈环节的部分叫做开环控制，因为其没有位置和速度反馈回路，因此省去了检测装置，系统简单可靠，具有结构简单、使用维护方便、可靠性高、制造成本低等一系列优点，在中小型机床和速度、精度要求不十分高的场合得到了广泛的应用，并适合于发展功能简化的经济型数控机床和对现有的普通机床进行数控化技术改造。
在整个控制环节里，有部分反馈环节的伺服控制系统称为半闭环伺服系统；如果角度、位置和速度反馈形成封闭的系统，就称为闭环控制伺服系统，闭环系统是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当处理自动给出驱动脉冲串。因此采用闭环控制可以获得更加精确的位置控制和更高更平稳的转速，从而提高步进电机的性能指标，可以具有更大的通用性。其控制方案主要有核步法、延迟时间法、用位置传感器等。
三、步进伺服系统的控制
（一）步进伺服系统的控制元件
步进伺服系统的控制元件为步进电动机，工作时，步进电动机的控制绕组受电脉冲信号控制，靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大后使控制绕组按规定顺序轮流接通直流电源。
步进电机主要分为转子本身没有励磁绕组的称为“反应式”步进电机，用永久磁铁做转子的“永磁式”步进电机，感应子式步进的混合式步进电机，目前反应式步进电机用得最多。步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应角位移或直线位移的机电执行元件，步进电机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定角度，称为“一步”，这个固定的角度称为步距角。步进电机的运动状态是步进形式的，故称为“步进电动机”。
其通电方式有“拍”、“单”、“双”，其中相数、拍数、步距角为其主要参数。
步进电机动态特性主要有步距角精度，失步，失调角，最大空载起动频率，最大空载的运行频率，运行矩频特性。矩频特性是电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。
（二）步进伺服系统的控制原理
步進伺服系统主要分为开环、半闭环、闭环控制系统，其控制基本要求为：精度高（0.01—0.001mm)，响应快（小的跟踪误差），调速范围宽（1：100，1：1000），低速大转距(电机可以直接连丝杠)，较强的过载能力(数分钟内,电枢电流大于额定值4—6倍)，能频繁起停，正反向运动。步进伺服系统控制的驱动电源包括环形分配器和功率放大器两部分。其中环形分配器是按一定的顺序导通和截止功率放大器，使相应的绕组通电或断电，它由门电路、触发器等基本逻辑功能元件组成，目前有硬件环形分配器和软件环形分配器。其通电顺序为AB-B-ABC-C-BC-A.
功率放大器的输出直接驱动电动机的控制绕组，由于从环形分配器输出的电流只有几个毫安，而一般步进电机的励磁电流需要几安到几十安，因此需要功率放大器进行功率放大和电流放大。功率放大器的性能对步进电动机的运行状态有很大影响。关键是要提高电动机的快速性和平稳性。目前国内使用的步进电机的驱动电路主要有单电压恒流功放电路、高低压（双电压）功率放大电路、调频调压功放电路。其中斩波型功放电路克服了电压恒流功放电路、高低压（双电压）功率放大电路谷点现象，得到广泛应用。
四、步进伺服系统的应用及其发展前景
因为步进伺服系统具有快速起停、精确步进以及能直接接受数字量等特点，其在各种应用场合得到广泛应用。例如军事上，雷达天线的自动瞄准跟踪控制，冶金行业，运输行业绘图机、打印机及光学仪器等，在工业工程控制的位置控制系统中PLC应用，在机械制造行业中，应用最多最广泛，如各种高性能机床运动部件的速度控制、运动轨迹控制等。未来随着工业以太、现场总线技、先进控制技术的PCS的发展将向着通信自动化、智能化、电子化快速发展。
五、结语
电气控制中伺服系统在现在社会技术发展中的重要作用促使其快速发展和应用，其中以步进电机为控制元件的步进伺服系统更在各种位置和速度控制中体现了其重要性，通过本文的介绍，可以比较清楚地了解和认识到步进伺服系统的组成及其特征还有其控制原理等方面的知识，可以为这方面的研究提供一定的参考和指导作用。
参考文献：
[1]敖荣庆，袁坤．伺服系统[M]．航天工业出版社，2006.
步进电动机的控制 篇3
1 步进电动机加减速定位控制原理
针对步进电动机因起动频率过高可能造成的“失步”(失去同步)现象,我们可以通过加速→恒定高速→减速→恒定低速→锁定,就可以既快又稳地准确定位,如图1所示。
用单片机对步进电动机进行加减速控制,实际上就是控制每次换相的时间间隔。升速使脉冲逐渐加密,减速时则相反。若单片机使用定时器中断方式来控制电动机的速度,那么加减速控制实际上就是不断改变定时器的装载值的大小。
2 利用Proteus进行仿真电路设计
Proteus是电路分析软件,特别适合单片机等自动控制系统的分析和仿真。Keil软件是和该电路分析软件配套使用的编程软件。
本文介绍的方案是以51单片机为控制器,将单片机产生的数字控制信号加在电机驱动模块芯片上以控制步进电机。通过操作按键,实现步进电机的正反转及步数设置,设计方案采用了PWM技术来控制步进电机,不断改变单片机的数字控制信号来改变步进电机的转速。运用软件与硬件相结合的控制方法,实现单片机对步进电机的加减速定位控制。硬件电路框图如图2所示,电路由以下部分组成:显示模块、AT89C51单片机、按键模块、电机驱动模块ULN2003A和步进电机。
3 仿真效果
参照图2,在Proteus软件的环境环境下,搭建仿真电路如图3所示。图中,U1为单片机AT89C51,LCD1为显示模块,KEY1~KEY3为按键模块,U2为电机驱动模块ULN2003A,示波器A、B、C、D端口分别测试单片机提供给步进电机的4路数字控制信号。在Keil环境下进行源程序编译和联调仿真,按照加减速定位控制原理编写源程序,编译生成扩展名为“.HEX”的目标代码文件。在Proteus中,双击单片机AT89C51,在其中选取Keil下生产的目标代码文件。设置时钟频率,开始仿真,可以看到步进电机的运转平稳。加速阶段PWM控制波形如图4(a)~(d)所示,其中(c)和(d)之间省略了fk在40脉冲/s至9990脉冲/s的各档频率仿真波形。仿真波形显示,在加速过程中,PWM脉冲控制信号逐步加密(其中图a~c的时间轴单位长度为20ms,图d的时间轴单位长度为20us),即频率在逐步提高,直到10000脉冲/s。同时步进电机转速也在逐步提高。减速阶段的PWM控制波形与加速阶段的PWM控制波形变化恰好相反,PWM脉冲控制信号逐步稀疏,直到10脉冲/s。同时步进电机转速也在逐步降低。恒定高速或恒定低速阶段,PWM脉冲控制信号维持频率最高或最低恒定不变。同时步进电机转速也维持最高或最低恒定不变。运用Proteus和Keil对步进电机控制进行了加减速定位控制的软硬件的设计。仿真结果表明:采用加减速定位控制方法的步进电机控制系统工作稳定,步进电机可以平稳的加减速或恒速运行,避免了失步现象。控制步进电机的数字信号清晰有规律,并且与理论分析一致。
4 结语
本文针对可能出现的“失步”问题,采取加减速定位控制原理,并利用仿真软件进行仿真,方便的得出比较满意的控制效果。计算机仿真等数字技术的应用,对于分析和解决问题起到了事半功倍的作用。
摘要：步进电动机运用广泛,易于实现自动数字控制。本文针对步进电动机起动容易出现的“失步”现象,采取加减速定位控制的方法,并利用Proteus软件建立了步进电机加减速定位控制的电路仿真模型,在Keil软件下进行源程序编译和联调仿真。仿真结果显示在该种控制方法下,步进电机运行效果良好。
关键词：步进电动机,“失步”现象,加减速定位控制,Proteus Keil
参考文献
[1]康健,王国战,刘静,卢超.Proteus环境下步进电机的控制研究[J].湖南工程学院学报,2010(3):31.
[2]张靖武,周灵彬.单片机系统的Proteus设计与仿真[M].北京:电子工业出版社,2007.
步进电动机的控制 篇4
我们公司主要生产矿山用小型挖掘机的模拟教学设备产品, 在业界也小有名气。一次, 一家大型挖掘机生产企业找上门来, 要求定制两台大型挖掘机的模拟教学设备。由于设备庞大, 模拟教学设备的训练内容也要相应增加, 显示屏也要相应增大, 使用了一台带有弧度的超宽显示器来显示完整的画面。整台设备的体积也要加大, 以便使操作者有实际操作真实设备的感觉。
就在这两台模拟教学设备的研制接近尾声之时, 客户又提出了一个新的要求, 就是模拟教学设备的座椅要有振动的效果。即如果遇到加油门或是踩刹车, 座椅应当有向前或向后摆动的感觉。过去的产品座椅都是固定的, 我们查阅了一些资料, 市场上有一些成品振动座椅, 但尺寸都不合适。再有这个产品已经制作完成, 再重新研制新摆动座椅也不太可能。最现实的办法就是对现有的座椅进行改造。
于是我们想到用单片机控制步进电机来实现。将固定座椅从工作台上拆卸下来, 座椅下面加装滑轮与滑轨, 通过连杆与步进电机主轴相连, 由步进电机带动座椅来回摆动。我们的改造方案最终获得厂领导的同意, 于是改造工作正式开始。从上面的改造思路我们可以看到, 整个的改造内容有两部分, 一部分是机械部分的改造, 一部分是电气部分的改造。而我们只负责电气部分的改造。经过两个多月的努力, 我们终于将座椅改造完成, 产品得到用户的肯定, 厂子也获得了较好的信誉。现将电气部分的研制过程整理如下, 希望对有类似项目的同仁能有所借鉴。
1 步进电机及驱动器的型号选择
一个座椅, 坐上一个成年人, 座椅下面安装上滑轮与滑轨, 那么需要多大的力能够拉动这个座椅, 这是需要计算才能够知道的。假设成年人的体重是200kg, 滑轮的滑动系数是0.2, 那么需要拉动座椅的力
步进电机给出的参数是扭矩, 扭矩在物理学中就是力矩的大小, 等于力和力臂的乘积, 国际单位是牛米Nm。假设我们的步进电机的力臂是10cm, 也就是0.1m, 那么400N的力需要的扭矩
当然我们这个估算还没有考虑机械设备的机械效率, 除此之外, 还要留有一定的设计余量等, 最终我们选择了130BYG三相步进电机, 具体型号为130HT5050A3, 而与之配套的驱动器的型号为3M2080。我们之所以选择130BYG三相步进电机, 是因为它的静扭矩达到50Nm, 符合我们的计算要求。
2.单片机的选择与控制电路
步进电机需要脉冲信号进行驱动, 如今有了步进电机驱动器, 我们对步进电机的控制简单多了。下图是厂家提供的步进电机控制系统连接图。
从图中可以看到, 控制器部分我们只需用单片机的3 个引脚产生3 路控制信号, 即脉冲信号、方向信号和使能信号, 就可以方便的控制步进电机。所以我们单片机选用的是STC12C2052AD。
3 座椅的功能要求与编程实现
对座椅的功能要求是这样的:当操作者踩油门时, 座椅应有一个向后的摆动, 而且操作者踩油门的动作越大, 座椅的摆动幅度就越大;当操作者踩刹车时, 座椅应有一个向前的摆动, 而且操作者踩刹车的动作越大, 座椅的摆动幅度就越大。为了实现这种运动功能, 我们是用单片机产生脉冲信号控制步进电机的摆动来实现的。通过与模拟教学设备的软件工程师进行沟通, 他们说油门与刹车的信号是通过两个传感器产生两个模拟量信号, 然后再通过AD转换将这两个模拟量信号转换成一个字节 (即0~255) 的数字量信号。而且这个数字量信号可以通过串口通信送给单片机。知道了这个工作机制, 我们选用的STC12C2052AD单片机就显示出它的优势。因为它自身带有AD转换功能, 所以我们在对座椅进行功能调试的时候, 并不需要连接油门和刹车, 而是在单片机的一个AD端口接一个电位器, 只要转动电位器的旋钮, 就可以模拟出踩油门与踩刹车的动作。等到把座椅的运动完全调试完毕, 再真正接入油门与刹车信号, 并对之进行统调, 这使得调试工作变得方便简单, 并能够与座椅的机械改造部分同步进行, 缩短了项目改造的周期。
4 软件部分程序编写思路
踩油门与踩刹车时, 传感器传送过来的数字信号量是一个变化值。具体的说, 踩油门的数字量是一个增大的量, 如从50 到80 的变化, 而踩刹车的数字量是一个减小的量, 如从80 到50 的变化, 所以它们的变化量一个是正值, 一个是负值, 正值是表示踩油门, 负值是表示踩刹车。而单片机要捕捉的正是这个变化量。我们在一个固定的时间段, 比如说50 毫秒前后分别采集两个数字量d1 和d2, 然后计算出它们的变化量 Δd=d2-d1, 如果 Δd=0, 说明没有踩油门或刹车;如果 Δd>0, 就说明踩的是油门;如果 Δd<0, 就说明踩的是刹车。如果 Δd的值大, 说明踩油门或刹车的动作大, 这时我们就让步进电机的摆动幅度大, 反之就让步进电机的摆动幅度小。当然, 为了使油门与刹车的感觉更加逼真, 我们可以将Δd的值分成几个等级, 对应的步进电机有不同的摆动幅度, 这就是编程的整体思路。我们将单片机程序的步骤整理如下:
(1) 设置串口, 接收系统发来的从油门及刹车传感器转换过的数字量信号。
(2) 在一个固定取样间隔时间计算出数字量信号的变化量。
(3) 判断变化量是正值还是负值。
(4) 正值表明是踩油门, 步进电机主轴向前摆动;负值表明是踩刹车, 步进电机主轴向后摆动。
下面是程序的流程图表示:
当然, 这是编程的总体思路, 具体调试时还要注意以下几点。
(1) 接收信号时, d1 与d2 之间的延时时间我们称之为采样时间。实验表明, 这个时间取600 毫秒较为合适, 符合大多数人踩油门或踩刹车的反应时间。
(2) Δd的值如果很小, 由于存在干扰信号, 座椅容易产生振动, 所以要将这个小的 Δd的值忽略掉, 以消除干扰信号引起的座椅的振动。此外, 如果油门或刹车踩得很慢, 我们也不希望座椅发出摆动。实验表明, 取 Δd<20 这个门限值较为合适。
(3) 为了模拟出座椅摆动的真实感, 可以根据 Δd的大小对步进电机主轴的摆动幅度进行分级。实验表明, 步进电机的摆动幅度分为3 级较为合适, 这样可以明显的感到踩油门或踩刹车快慢的不同, 座椅也跟着产生不同幅度的摆动。如果级数分得太多, 程序写得复杂, 人的感觉也不明显。
(4) 3M2080 三相高压步进电机驱动器参数每转步数的设置。此驱动器可将步进电机每转的步数细分为16 档, 最细的一档每转为12800 步, 步数越细, 步进电机运行越平稳, 振动及噪音越低。我们实际使用的就是每转12800 步。
5 出现的问题及解决的办法
我们在设备调试过程中主要出现两个问题, 现将出现的问题及解决的办法总结如下。
第一个问题是步进电机的失步问题。出现的现象是, 刚开始步进电机的工作正常, 可是过了几分钟, 步进电机只向前摆而不向后摆了。也就是说步进电机不能归位, 即出现了严重的失步现象。我们一开始是按照厂商给出的参考电路图用单片机的管脚直接接到驱动器的输入端来控制步进电机的。这种接法对小功率的步进电机是可行的, 可是130BYG三相步进电机的额定功率是2000W, 属于大功率的步进电机, 我们估计直接从单片机引脚输出脉冲的功率达不到驱动器的驱动要求, 从而导致步进电机的失步。于是我们在单片机与驱动器之间加入了一块ULN2003 集成电路。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品, 具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点, 适应于各类要求高速大功率驱动的系统。实际的单片机控制步进电机的电路图如图3所示。从电路图中可以看出, 加入了ULN2003 集成电路以后, 单片机的电源与驱动器的电源就区分开了, 这样也保证了单片机系统的稳定性。
自从加入了ULN2003 集成块以后, 步进电机就再也没有出现过失步现象。
第二个问题就是对显示屏电路产生干扰。表现为没有接步进电机时, 显示屏显示正常, 只要给步进电机通电, 就会出现花屏, 严重时显示屏全是雪花。我们也知道因为步进电机功率大, 产生的电磁干扰也大, 会对显示屏产生影响。于是尽量将显示屏与步进电机及驱动器隔开距离, 然后将步进电机的接地线与电源的接地线尽量做好, 然后将步进电机及驱动器用金属罩罩住。但是这些办法都用了还是无济于事, 显示屏还是出现干扰。看来大功率步进电机的电磁干扰是与生俱来的, 你是消除不掉的, 除非你不用它。
正在我们对此一筹莫展的时候, 一位同事的话提醒了我们。他说, 步进电机的电磁干扰一直是存在的, 为什么系统其他部分不受干扰, 只有显示屏部分受到干扰?是啊, 这说明显示屏的抗干扰能力差, 那么能否增强它的抗干扰能力呢?于是我们将显示部分的接线全部改换成屏蔽线, 然后将显卡、主板的接地线全部重做一遍。步进电机的电源线、信号线也都改换成屏蔽线, 然后再进行整机调试。这时候, 显示屏的干扰消失了, 终于可以正常显示了。
于是我们得到了一条经验, 消除干扰可以从两方面入手。一是尽量减小干扰源, 想办法使其对其他设备的影响最小。二是想办法增强被干扰设备的抗干扰能力, 如我们对显示屏电路的处理。在实际的电路设计中, 第二种办法也许更实用。
摘要：本文通过对挖掘机模拟教学设备中电动座椅的改造, 提出了一套简单易行的使用单片机控制步进电机实现座椅电动功能的方法。本文简述了电气部分电路改造的全过程, 并总结了改造过程中出现的问题及解决的办法, 希望对有类似功能项目的工程人员有所帮助。
关键词：单片机,步进电机,驱动器,抗干扰方法
参考文献
[1]古志坚.基于单片机的步进电机控制系统研究[D].华南理工大学.2013.
[2]杨滁光, 徐德好.步进电机的单片机控制方法探讨[J].仪器仪表用户.2009 (04) .
步进电动机的控制 篇5
电子控制以其快速、高效和精确等优点在汽车上逐步取代了机械控制, 且随着电子技术的飞速发展, 电子控制在汽车上的应用越来越广泛, 特别是城市公交车, 在发动机怠速控制上应用电子控制显得更为重要。
近年来, 广州市80%以上的公交车都采用了电控LPG发动机。我们对47辆装用潍柴WT615.00 LPG发动机的公交车进行了故障统计分析, 结果表明, 发动机怠速故障占故障总数的20%, 其中怠速不稳占怠速故障总数的59.5%, 是怠速故障的主要表现形式。
经过技术交流和调查研究我们发现, 装用潍柴WT615.00 LPG发动机的宇通牌公交车, 其怠速不稳故障主要表现为收油时怠速偏高 (700～800r/min) 或偏低 (300～400r/min) 、怠速时“游车”, 同时氧浓度不正常, 收油怠速偏高时氧浓度一直偏浓, 且无法调节。
潍柴WT615.00 LPG发动机怠速控制的基本原理如图1所示, 发动机ECU根据发动机的工作状况发出指令, 控制步进电机的开度, 从而控制燃气从蒸发器到混合器的进气量, 并通过氧传感器将怠速转速反馈给ECU, 不断将怠速转速调整到最佳值。在怠速控制相关零部件均正常的情况下, 由图2可知, 燃气从怠速控制执行元件 (步进电机) 到混合器再到燃烧室的整个过程, 都会影响怠速控制的响应速度, 如果响应速度太慢, 必然会使得怠速控制无法调节。
为此, 我们将步进电机与混合器、蒸发器之间的位置进行了调整, 缩短了燃气从步进电机至混合器的距离, 调整前步进电机至蒸发器出口的距离约为10cm, 步进电机至混合器入口的距离约为90cm (如图2所示) ;调整后步进电机至蒸发器出口的距离约为55cm, 步进电机至混合器入口的距离约为25cm (如图3所示) 。
基于数控机床中步进电动机的选用 篇6
对普通机床的数控改造，是数控技术应用的重要一方面，特别是对我国在本世纪来说，就显得尤为重要：下面就在数控改造中选用步进电动机及作为开环进给的驱动电机及怎样选用，谈一下自己的体会。
1 步进电动机的指令信号
步进电动机驱动装置可直接接收指令脉冲信号，且可直接将脉冲号变为角位移，角位移与输入脉冲数成严格的比例关系。它的转速与控制脉冲频率成正比。改变绕组的通电顺序，可方便地控制电动机的下反转。只要维持绕组电流不变。可有电磁力矩维持其定位位置，不需附加机械制动装置。步进电动机驱动装有这么多优点，所以常用做数控机床开环进给的驱动电动机。现大多采用功率式步进电动机。如图1所示[1]。
2 驱动中的减速齿轮
在驱动中，常采用减速齿轮以作匹配。同采用减速齿轮后可容易配置出所要求的脉冲当量，减少工作台以及丝杠折算到电动机轴上的惯量;增大工作台推力。步进电动机驱动车床工作台典型结构如图1所示。
3 步进电动机的选用
在实际中，往往仅知道工作台的质量M(或重量W)与导轨间的磨擦系数u，以及对机床的加工精度要求，或脉冲当量，如：0.01mm、0.05mm等。可先选择丝杠，这样，丝杠的长度l，公称直径d，螺距S，传动效率η等参数均可知道。步进电动参数较多，这里主要计算输出转矩最高频率即可。具体计算如下：
1)计算齿轮减速比
根据所要求脉冲量∆(mm/脉冲)，齿轮减速比i计算如下式：
若先知道减速比，则可求出步进电动机的步距角(°/脉冲)
2)在改造中定做减速齿轮是没必要的，可选择现有的齿轮。选择减速齿轮有减速比，可选齿轮的齿数Z1、Z2及模M和齿轮宽度L，由此要知齿轮的直径;
3)计算工作台，丝械及齿轮折算到电动机轴上的惯量J折。
其中，对实心旋转体：
对空心旋转体：
M：质量(kg)ρ：密度(kg/m3)
铁ρ=7.78×103(kg/m3)铝ρ=2.7×103(kg/m3)
L:旋转体的长度(m)D0=空心体外径(m)
D1：旋转体的内径(m)D:实心体的直径
4)计算电动机输出的总力矩M:
Ma:电动机启动加速力矩(N·M)，其中
JM—电动机自身惯量
ta—电动机开速时间
N—电动机所需达到转速
v为进给速度(mm/min)
升速时间ta与步进电动机的加速力矩和自身的转动惯量以及负载惯有关。具体计算如下：
如图2[2]，移动距离l(cm)为：
当ta=td时,有
Mf：导轨摩擦折算主电动机的转矩(N·M)
Mr：切削力折算至电动机力矩(N·M)
Ft—最大切削力
一般来说，Mf与Mt之和应小于(0.2-0.4)max步进电动机最大静力矩。
5)带负载频率估算：
一般情况下，带负载起动频率,可按空载起动频率一半处理，也可根据最大进给速度来计算。
4 结论
步进电动机的各种性能参数于其配套的驱动电源有限，不同控制方式的驱动功率放大电路及其电压，电流等参数不同，都会使步进电动机的输出特性发生很大的变化。因此，步进电动机一定要与其配套驱动电流一起考虑选择。
参考文献
[1]华中I型车削数控系统HCNC-1T.编程说明书.2001.
[2]天津数控培训中心.数控编程.机械工业出版社.2004.
步进电动机的控制 篇7
随着医院患者检验标本数量及检验参数的不断增多,传统手工标识检验试管的工作模式已逐渐暴露出其缺点和问题。以住院患者为例,由于医院在采集任何检验标本前,都需先对盛装标本的试管进行标识并选择相应的试管,而且还需要在试管外贴上包含科室、床号、姓名、性别、住院号、检验项目、检验目的及送验日期等信息的试管标签。若采用传统的手工粘贴试管标签工作模式,护士首先需从实验室信息系统(laboratory information system,LIS)中获取当天需要进行检查的患者信息及相应的检验项目明细,然后将每个患者对应的试管标签进行打印,最后采用手工的方式将标签一一粘贴到对应的试管上。当检验标本数量增加时,手工粘贴试管标签的工作将消耗大量的时间和人力。据临床实践统计,若采用手工粘贴方式对住院患者常见的血常规检查标本进行贴标工作,粘贴600个患者的试管标签就需要4名工作人员花费约90 min才能处理完成,所以这种工作模式已不能满足规模较大的医院对检验工作效率和质量的要求[1]。因此本研究研制一种基于步进电动机的试管自动贴标系统,使试管标签的打印和粘贴过程实现自动化操作,以提高检验标本标识工作的效率和质量。
2 系统整体设计
试管自动贴标系统的主要功能,是将从LIS获得的患者相关信息及检验项目打印到试管标签上并通过相应的机械动作结构自动将标签粘贴到管壁上。除与LIS进行交互的上位机控制软件外,整个贴标系统还包括以单片机为主控制芯片的打印贴标控制系统以及以步进电动机为主要执行机构的机械动作单元[2],系统结构如图1所示。
要实现试管标签的自动打印粘贴,首先需要分析标签粘贴动作的流程。如图2所示,整个系统的贴标动作可分解为:(1)根据需要贴标试管的容量对试管承托臂的高度进行调整,使标签粘贴在试管外壁合适的位置上并等待试管的放入;(2)待试管放入后夹紧试管,使其紧贴转动轴轮,让试管能在电动机的带动下旋转;(3)系统内部打印机将相关信息打印至标签上,标签在试管的转动牵引下自动粘贴到试管上;(4)松开试管并使承托臂自动下摆,让试管可以自动跌落至完成抽屉中,贴标动作完成。配合上位机控制软件不断地将需要打印的患者信息和检验项目发送至下位机控制系统,整个贴标系统可实现试管标签粘贴的流水线操作,大大提高标本标识工作的效率和质量。
3 系统硬件电路设计
下位机控制系统整体硬件电路结构如3所示,主要包括以单片机作为控制芯片的主控制电路、以光电传感器作为主要位置传感器的动作单元位置反馈电路、步进电动机驱动电路以及周边外围电路[3]。
3.1 主控制电路及位置反馈电路的设计
STC11F60XE单片机是STC公司设计生产的单时钟/机器周期(1T)单片机,是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代51系列单片机,其指令代码完全兼容传统51单片机指令,但执行速度是传统51单片机的8~12倍。下位机系统其中一个重要的功能是要实现试管标签的打印,因此控制芯片在与上位机进行通信的同时,还需要与打印机单元进行通信,以发送实际的打印指令。但在传统51单片机的硬件资源中通常只配备了1个串行通信口,若要实现双串口通信,则需额外添加开关电路对串口进行多路切换。而STC11系列单片机可直接通过对内部特殊功能寄存器的操作使P3.0、P3.1引脚切换到P1.6,P1.7引脚上,以此将串口在P3口和P1口之间来回切换,可在不额外添加开关电路的情况下低成本实现1个串口作为2个主串口的分时复用,其电路如图4所示。
此外,由于步进电动机属于开环控制元件,因此单片机无法直接获取由步进电动机驱动的机械动作单元的位置状态。为提高打印贴标过程的安全性和可监控性,实现整个动作过程的闭环控制,在下位机控制系统中还需要包括机械动作单元位置的反馈电路。位置反馈电路以欧姆龙公司生产的EE-SH3系列光电传感器作为主要位置传感器,EE-SH3系列光电传感器为透过型光电传感器[4],其电路如图5所示。当发光二极管与光敏三极管之间没有被遮挡时,光敏三极管处于导通状态,电路输出为高电平;而当机械结构在运动中到达一定位置时,发光二极管与光敏三极管之间被预先设计在结构上的位置挡片遮挡,此时光敏三极管处于截止状态,电路输出为低电平。单片机通过读取位置反馈电路的输出状态即可获得机械动作单元的位置状态信息,从而实现打印贴标过程的闭环控制。
3.2 步进电动机驱动电路的设计
下位机控制系统另一个重要的功能是驱动机械动作单元实现试管标签的自动粘贴。根据对标签粘贴动作流程的分析可知,整个贴标动作是由多个贴标分解动作按照一定先后顺序组合而成。各个分解动作需要依靠对动作单元进行准确的定位控制来实现,考虑到步进电动机具有能够准确定位的特性,因此以步进电动机作为执行单元控制机械动作单元完成自动贴标动作。下位机控制系统的步进电动机驱动电路以THB6128芯片作为驱动芯片。THB6128芯片是东芝公司生产的高细分两相混合式步进电动机驱动专用芯片,该芯片具有以下特点:双全桥MOSFET驱动,低导通电阻Ron=0.55Ω;最高耐压40 VDC,峰值电流2.2 A,工作电流1.5 A;多种细分驱动可选;自动半流锁定功能;快衰、慢衰、混合式衰减等3种衰减方式可选;内置温度保护及过流保护等[5]。驱动电路如图6所示。
利用THB6128驱动芯片,单片机只需要按实际设计要求输入步进脉冲信号CLK及方向信号CWW,即可驱动步进电动机工作。管脚FDT为衰减方式控制引脚,调节该引脚输入电压可以选择不同的衰减方式,从而获得更好的驱动效果。管脚VREF为驱动电流设定引脚,调节该引脚的输入电压即可设定驱动电流值。通过拨码开关S1可改变芯片M1、M2和M3引脚的输入值,根据输入值的不同可选择8种电动机细分驱动模式,最高可达128细分,如表1所示。
此外,在主控制电路与步进电动机驱动电路之间需加入光电隔离电路。由于2个部分电路使用的电源大小不同,且电流大小差距较大,为防止驱动电路对控制电路产生干扰,单片机输出的控制信号需经过光电隔离处理后,方可输入至步进电动机驱动电路。光电隔离电路采用共阳极接法[6,7],电路如图7所示。
4 系统软件设计
4.1 单片机控制程序设计
单片机控制程序主要包括液晶显示控制、串行通信控制以及步进电动机控制等3个大部分,程序流程如图8所示。当系统上电时,首先需要对液晶显示及串口通信进行初始化。由于系统采用了大小为240×320的26万色TFT彩色液晶显示屏,显示屏以ILITEK公司的ILI9325芯片作为显示驱动芯片,因此需要对驱动芯片中相应的显示参数进行初始化后方可使液晶正常显示。此外,在系统第一次上电时,还需要调用步进电动机控制程序并结合位置传感器的状态对所有机械动作单元进行1次位置复位,使系统在接收打印指令前处于初始状态。动作单元复位后,即可通过上位机控制软件向下位机串口发送需要打印的患者信息及检验项目内容。在对接收的打印指令进行解释后,便进入试管标签的打印及自动粘贴过程。待整个过程结束后,还需对动作单元再进行1次复位操作,以便接收下一条打印指令。
由于采用了THB6128芯片作为步进电动机驱动芯片,因此简化了步进电动机控制程序的编写过程。控制程序只需要实现步进脉冲序列的输出、步进电动机运行方向的控制以及协调多个步进电动机依次动作,便可驱动整个系统机械动作部分按照贴标动作要求工作,无需再为实现步进电动机的细分驱动花费额外的代码空间资源,使控制程序变得更加简洁。步进脉冲序列的输出采用软件延时的方式实现,延时时间与实际应用要求的步进脉冲频率相关,步进脉冲频率的计算公式为:
以系统采用的35系列两相混合式步进电动机为例,由于电动机的步距角为1.8°,在采用32细分驱动情况下,电动机旋转360°需要360°/(1.8°/32)=6 400个脉冲。若需要让电动机每120 r/min,则脉冲频率为(6 400×120)/60=12.8 k Hz。因此对应的软件延时时间为(1/12 800)/2=39.062 5μs。通过延时程序使单片机IO口在高低电平之间切换,即可产生步进脉冲的输出。THB6128芯片内部还集成了脉冲分配电路,因此只需要改变芯片CW/CWW引脚的输入值,即可将输入的步进脉冲信号按一定的励磁逻辑关系输出至步进电动机相应的励磁绕组上,实现电动机运行方向的改变。最后控制程序只需要按照贴标动作的要求使控制驱动电路的单片机IO口对不同的驱动电路输出步进脉冲及方向信号,便可使步进电动机带动相应的机械动作单元完成标签粘贴动作。
4.2 上位机控制软件设计
上位机控制软件最主要的功能是为自动贴标系统与医院现有LIS之间提供一个可交互的接口平台。贴标系统所打印的患者信息及检验项目内容,都需要通过上位机控制软件从LIS中获得。而在获得打印内容的同时,贴标系统还需要往LIS发送一个用于记录患者检验项目是否已进行打印的状态标识作为反馈信息。
由于在临床实际应用中,每天需要标识的试管数量较多,且一个患者可能包含多项检验项目,若每打印一个患者的信息都需要重新查询LIS,势必会增加LIS的负担,因此控制软件采用先下载后打印的方式批量处理打印信息。以住院患者为例,护士通过操作上位机控制软件从LIS中下载当天所有需要做检验的住院患者信息及检验项目信息,然后软件会将已下载的相关信息存入预先建立在本地的缓存数据库内。在所有打印信息下载完毕后,控制软件会以单个患者为单位从本地缓存数据库中逐条读出打印信息,并将其内容按照系统自定义的通信指令格式重新组合,最后把重组后的打印指令通过串口发送至下位机系统中。控制软件与下位机的通信指令格式如表2所示,打印指令按照其对系统的不同作用进行拆分组合,每条通信指令中都包含了指令帧头、指令长度、指令内容及累加检验等4项内容。下位机系统根据指令帧头的不同对指令内容进行不同的解释,并将解释后的指令用于控制内部机械动作单元及标签打印机完成标签打印及自动粘贴过程。
打印指令的重组发送过程无需使用者参与,控制软件会根据下位机系统的反馈信息自动完成患者信息及检验项目内容的发送,使整个贴标过程实现流水线操作,大大提高标本标识工作的效率和质量。
5 结束语
本文从硬件设计和软件设计2个方面介绍了一种基于步进电动机的试管自动贴标系统。该系统的优点是结合了传感器技术和自动化控制技术,使试管标签的打印和粘贴过程实现自动化操作。对于规模较大的医院,在门诊及住院患者检验标本数量及检验参数不断增多的情况下,该系统很好地弥补了传统手工标识试管工作模式的缺点与不足,降低了手工粘贴试管标签工作所消耗的时间和人力,提高了检验标本标识工作的效率和质量,在医院的临床实际应用中具有广阔的前景。
摘要：目的:为解决传统手工粘贴检验试管标签工作模式存在的缺点和问题,研制一种基于步进电动机的试管自动贴标系统。方法:将传感器技术和自动化控制技术相结合,通过对标签粘贴过程的分析及软硬件的设计,实现试管标签的自动打印和粘贴。结果:结合上位机控制软件的使用,实现了试管标签打印粘贴的流水线操作,成功构建了基于步进电动机的试管自动贴标系统。结论:该系统弥补了传统手工标识试管工作模式的缺点与不足,在医院的临床实际应用中具有广阔的前景。
关键词：步进电动机,自动化,标签粘贴
参考文献
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步进电动机的控制 篇8
关键词：步进电动机,细分驱动,斩波,FPGA
1 引言
在许多科学仪器(如医疗仪器、生化和理化检测仪器、生命科学仪器等)中经常大量采用二相步进电动机作为定位执行部件。步进电动机以其低廉的价格、可开环控制及运行时无累积误差等优点,在这些领域里得到了广泛的应用;但同时,它也存在着低频振荡、电磁噪声大、高频输出转矩下降明显等缺点。采用恒转矩细分驱动技术可以很好地解决步进电动机运行时的上述缺点。目前普遍采用的方法主要有两种:一种是由中规模(MSI)数字电路、运放和模拟分立元件以及驱动器件等构成的控制系统,该种方式适用于功能比较简单、性能要求比较低的应用场合;另一种是采用单片机取代前一种方式中的数字电路部分来构成一个步进电动机控制系统,此种方式中可由任务要求的功能复杂程度和性能的高低不同来选择相应的单片机和外围器件。由于单片机本质上是程序控制器件,所以当应用于功能、性能和速度都要求比较高的场合时,一般的单片机不能满足要求,只有高档的单片机才能胜任。但高档单片机用于细分驱动时往往要浪费许多内部资源,同时也增加了系统的设计成本。为了节约成本,对于比较简单的步进电动机控制可由用户应用系统中的单片机来兼职完成。但是,当需要高速、高精度和(或)频繁地对步进电动机进行细分控制时,就要占用大量的单片机机时和内部资源,从而会严重影响到用户应用功能的执行与实现。采用FPGA器件就可很好地解决上述诸多问题。
采用现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)来取代步进电动机的细分控制系统中的单片机或数字逻辑部分,由于任务相对比较单一,所以可以在实现高效的细分驱动功能的前提下,提高速度和降低系统造价。具体说来,即是把步进电动机细分控制系统中的各相细分电流值给定单元、控制逻辑单元和斩波控制模块都集成到单片FPGA芯片内,而用户应用系统的微控制器(MCU)只需给本细分驱动控制系统提供步进步数、转动方向、细分数和启停等信息,就可以精确控制步进电动机的运行,从而大大减轻了用户应用系统中的微控制器的负担,使其可以在实时控制场合完成更加复杂的控制算法等重要任务。
2 恒转矩细分驱动原理
步进电动机细分控制,从本质上讲就是控制步进电动机各相励磁绕组中的电流,使其内部的合成磁场为旋转磁场,从而实现步距角的细分。合成磁场矢量的幅值决定了电动机旋转转矩的大小,相邻两合成磁场矢量之间的夹角决定了步距角的大小。我们知道:合成电流的矢量与合成的磁场矢量近似成正比,因此,控制步进电动机的合成磁场矢量也就是控制通入步进电动机各绕组的电流值的大小。一般采用的细分方法为一相绕组通以恒定的电流,而另一相绕组的电流按阶梯方式变化,从而使合成磁场矢量均匀旋转。图1(a)为采用这种细分方式时两相混合式步进电动机四细分时的合成磁场矢量图,从图中可以看到,步进电动机运行过程中各相电流合成矢量的幅值不断变化,其中最大合成矢量幅值是单相通电时幅值的倍,这也是此种细分方式下步进电动机运行不稳定的主要原因。
那么如何获得恒幅合成磁场矢量呢?由同步电动机工作原理可知:空间角互差90°放置的两相定子绕组分别通以电气角互差90°的正弦波电流,合成的磁场为圆形旋转磁场。基于这一原理,在两相混合式步进电动机的两相绕组中分别通以幅值按正弦规律变化、相位相差90°的阶梯波电流,就能得到图1(b)所示的恒幅电流矢量[1]。通入的阶梯电流阶梯越小,越接近正弦波,步距角也越小。理论上,无限细分的结果就是相位互差90°的正弦波。本设计就采用“阶梯正弦波”细分方法控制步进电动机。
3 系统整体实现
某精密仪器要求的定位精度折合成机械角度为0.009°/每步,所选两相混合式步进电动机的步距角为1.8°,即要求驱动器至少达到1.8/0.009=200细分的驱动效果。本系统可以提供最大256细分的驱动精度,能够满足设计要求。两相混合式步进电动机细分驱动系统的整体实现如图2所示,它主要由FPGA控制模块、功率驱动单元、电流反馈单元等组成,其中FPGA是整个控制系统的核心。
步进电动机A、B两相绕组中按cos/sin规律变化的阶梯电流波存储在FPGA内部的LPM_ROM单元中,FPGA控制逻辑根据控制信号的要求把LPM_ROM单元中存储的步进电动机电流设定值与绕组中的实际采样电流进行比较,根据比较结果输出PWM波通过功率驱动级控制步进电动机各相电流按设定的“阶梯正弦波”规律变化,从而获得所需要的细分精度来驱动步进电动机运转[2]。光耦隔离电路采用高达10 MHz的高速光耦6N13。
3.1 FPGA软件设计
FPGA选择EP1K50TC144-1芯片,其内部的设计主要由分频器、A/D转换控制模块、斩波控制输出模块、地址计数模块和存储步进电动机A、B两相参考电流的LPM-ROM等组成,如图3所示。LPM-ROM中的电流数据在地址计数器的作用下加载到斩波控制单元的一端,与步进电动机绕组中的反馈电流进行比较,根据比较的结果调制相应斩波控制信号,控制绕组的通断电时间,使反馈电流始终跟随设定电流,保持为一个恒定值。
地址计数模块是一个1 024进制的计数器,用来指定LPM_ROM的输出地址,通过VHDL语言编程的方法实现,其模块图如图4所示,COUNTER在时钟输入端clk、复位输入端rst、方向控制端dir、使能控制端en、细分控制端subdiv[2..0]的控制下输出地址指针AD[9.0],可以通过控制各输入端控制步进电动机的旋转方向、工作/停止和运行频率,例如:在dir=en=rst=0,subdiv[2..0]=“011”时,在clk的每一个上升沿,输出AD[9..0]加8,实现步进电动机的8细分。
由于本系统要实现的最大细分数为256,对于两相混合式步进电动机一个周期要走256×4=1 024步,所以LPM_ROM的地址宽度取为10(210=1 024),每相数据宽度取为8(28=256),则两个输出端需要16位的数据宽度,分两组分别加载到斩波控制单元的输入端。LPM_ROM中的初始数据通过加载MIF文件得到,MIF文件可以由C语言或MATLAB语言等高级语言编程得到,生成初始数据文件后,转化成后缀为MIF的文件,用MAX+PLUSII加载到FPGA芯片中即可。本MIF文件就是在TC3.0平台上用C语言编程得到的。对于FPGA内部LPM_ROM空间较小的芯片,考虑到正余弦信号的对称性,可以只用1 024/4=256 B的存储单元,其他单元的数据可以通过逻辑及数学转换得到。
本设计采用它激式斩波恒流驱动的方式使步进电动机绕组中的电流在每一个细分步里保持为一个恒定值[3]。FPGA按照某一固定频率采样步进电动机绕组电流,并与设定的绕组电流进行比较,根据比较结果调制相应斩波控制信号,控制绕组的通电时间,使反馈电流始终跟随LPM_ROM中的设置电流。驱动电路板上提供了一个20 MHz的有源晶振,FPGA通过内部的分频电路,生成频率为20 kHz的时钟,实现定频斩波控制,且两相是同频斩波,不会产生差拍现象,消除了电磁噪声。斩波恒流驱动的具体实现过程如图5所示,Vb为反馈值与设定值的比较结果,根据Vb的值确定斩波控制信号Vd是否导通,从而保证步进电动机绕组中的电流为设定的恒定值。
步进电动机A相斩波恒流控制电路在FPGA内部的具体实现电路如图6所示,反馈电流IAF[7..0]与设定电流IA[7..0]通过比较器进行比较,比较结果加到D触发器的清零端,当IAF大于IA时,比较器输出清零信号到D触发器的清零端,D触发器在时钟信号的上升沿实现输出清零;当IAF小于IA时,D触发器输出跟随输入,由于D端接高电平,输出也为高电平。通过不断比较,D触发器输出PWM信号控制步进电动机A相驱动电路通断,使A相绕组电流始终保持为设定电流。为了防止因为设定电流和反馈电流对比较器的A、B输入端赋值时各位的非同步性引起的输出波形带毛刺现象,D触发器的时钟输入信号也同时加到比较器的时钟输入端,在时钟上升沿对IAF[7..0]和IA[7..0]进行比较。
3.2 驱动电路设计
两相混合式步进电动机A相全桥驱动电路如图7所示,选择功耗极低的HIP4081芯片作为H桥驱动芯片。该芯片可提供1 MHz的开关速率,工作电压为12 V,输入兼容5～15 V的逻辑电平。功率开关管是功放电路中的关键部分,影响着整个系统的功耗和效率,选择高频MOS功率场效应管IRF540作为开关管,其参数为:VDSS=100 V,RDS(on)<77 mΩ,ID=22 A。IRF540导通电阻很小,即使步进电动机长时间运转,MOS管本身的温升也比较低,无须外加风扇[4]。
利用设计的驱动器驱动某两相混合式步进电动机,在频率为2k Hz、64细分的条件下运行时,测得A相绕组电流波形如图8所示,从图中可以看到步进电动机绕组电流曲线光滑,电动机运转平稳,在细分步内电流脉动较小。
4 结论
基于现场可编程门阵列设计的两相混合式步进电动机驱动器,可以实现对步进电动机高达256微步的细分,并且把A/D转换控制电路、斩波控制电路集成到了FPGA芯片内部,大大提高了系统的集成度。步进电动机在精密仪器中应用时,如果让它按照微步细分角一步一步运行,考虑到运行频率的限制,再加上细分,步进电动机运行的很慢,本设计中微控制器根据上位机提供的步进电动机运行步数,把步进电动机运行过程自动分解成整步、半步或者1/4步等加上微步的方法运行,这样不仅定位精度没有打折扣,并且大大提高了步进电动机的定位速度[5]。实际应用证明,该驱动器基本克服了步进电动机低速振动大和噪声大的缺点,电动机在较大速度范围内转矩保持恒定,提高了控制精度,缩短了定位时间,减小了发生共振的概率,具有很好的稳定性、可靠性和通用性。
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