一种实用的步进电动机可变细分驱动控制器设计
李玲娟，刘景林，王灿（西北工业大学，陕西西安710072）
摘要：分析了步进电动机的脉宽调制式细分驱魂原理，针对二相混合式步进电动机，设计了一种基于AT89C51单片机的PWM恒转矩可变细分驱动控制器，并详细阐述了软、硬件部分分的实现方法。实验结果表明，该系统细分精度高、运行平稳、噪声小、性价比高且非常实用。
关键词：单片机；混合式步进电动机；细分驱动；PWM
中图分类号：TM383.6 文献标识码：A 文章编号：1004 -7018( 2008) 09 -0031 -04
O引言
混合式步进电动机集反应式和永磁式步进电动机的优点于一身，应用非常普遍。它不能简单地直接接到普通的交直流电源上运转，而需要专门的驱动器，在电机本体选定的情况下，控制器的好坏很大程度上影响着整个系统的运行性能。本文所设计的控制器以两相混合式步进电动机运行特性为出发点，以AT89C51单片机和DAC0832为核心，带多档位细分和恒流等功能。它与混合式步进电动机配套可以大大地改善步进电动机的运行性能，拓宽其应用领域，经济实用，通用性强。
1系统结构概述
系统由单片机控制电路、细分电路、斩波恒流电路、驵动与功率电路、逻辑综合电路及保护电路组成。驱动器的控制核心采用AT89 C51。AT89C51通过对输入信号判断比较，输出存储器中给定电流波形的控制信号，信号经过DAC0832和放大器转换为相应的模拟电压信号，该信号和电机绕组中的电流经过采样电阻转换成的电压信号进行比较，若反馈信号大于给定电压，电路将功放管截止，反之使功放管导通来驱动步进电动机。D/A输出不同的控制电压，绕组中流过不同的电流值。结构框图如图l所示。
2脉宽调制式细分控制思想概述
两相混合式步进电动机在低速运转时存在振动和噪声问题，这个缺点限制了它的应用领域。在电机本体既定的情况下，我们可以通过采用先进的控制技术来克服电机运行过程中的这个问题。实验表明，采用斩波恒流驱动技术，可以基本消除低频共振现象，采用细分驱动技术也可减小振动和噪声，并且还可以提高电机的运转精度。
在通常的步进电机驱动电路中，电机相绕组中通人的是方波信号，电流是跳变的。相应地就使得电机在运行时存在明显的步进感，步距角较大。而细分控制就是使绕组中通人的电流阶梯状上升或下降，这样在每次脉冲切换时，绕组电流并不是突变的。额定电流分成多少次切换，转子就以多少步来完成一个原有的步距角。
本系统采用的是脉宽调制式细分控制，在图1中实际上CAL环形分配器输出的相控制信号并不是阶梯波，而是脉宽调制信号( PWMl，PWM信号占空比越大，平均电流越大，不同占空比PWM信号相当于相应幅值的阶梯波。PWM信号控制功放管工作于开关状态，调节功放管的导通时间，控制电机相绕组中平均电流的大小。微步距PWM信号发生电路的示意图如图2所示。
3硬件电路设计
3 1单片机主控单元和D/A转换电路
单片机AT89C51作为系统的主控单元，它接收外界按键给出的控制信号，包括细分档位、运行脉冲频率、正反转和起/停等信号，然后输出存储器中相应的细分电流控制信号，再经过D/A转换成模拟信号：
存储器中的电流波形的数字信号是这样计算的：对于两相混合式步进电动机，要同时改变两相电流/IA和/IB的大小，使电流合成矢量等幅均匀旋转：所以细分控制函数采用下式：
实际中根据电机运行所要求的****细分数N，在零到****相电流之间按正弦方式划分N个稳定的中间电流状态，将对应每个状态的二进制量化值存入E2PROM中。余弦状态的量化值不需要另辟空间存储，它跟正弦值只是相位互差90度，通过软件即可实现。单片机主控单元和D/A转换电路图如图3所示。
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