基于ATMEGA48單片機(jī)的儀表步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制原理及應(yīng)用

儀表步進(jìn)電機(jī)

　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)某相線圈加一脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變得非常簡(jiǎn)單。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不像普通的直流電機(jī)、交流電機(jī)那樣在常規(guī)下使用。它必須在雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)下使用。

　　儀表步進(jìn)電機(jī)屬于步進(jìn)電機(jī)中體積、功耗較小的類別，可以由單片機(jī)或?qū)Ｓ眯酒囊_直接驅(qū)動(dòng)，不需外接驅(qū)動(dòng)器，因而在儀表中被用于指針的旋轉(zhuǎn)控制。

　　需求分析

　　本方案中使用的儀表具有如下特點(diǎn)和設(shè)計(jì)參數(shù)：

　　●指針響應(yīng)靈敏、走位準(zhǔn)確，即收到驅(qū)動(dòng)脈沖后不能丟步;

　　●指針轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，即指針從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置之間的走位要平穩(wěn)，正、反轉(zhuǎn)都不能出現(xiàn)抖動(dòng);

　　●兩相、步距角10o、轉(zhuǎn)動(dòng)范圍300o。

　　根據(jù)技術(shù)參數(shù)可知，采用兩相四拍和兩相八拍時(shí)的步距角為10o和5o，在300o的范圍內(nèi)只能作30和60個(gè)刻度劃分，在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)發(fā)現(xiàn)指針步距角不能滿足要求而且抖動(dòng)不可避免。為了實(shí)現(xiàn)指針高精度的準(zhǔn)確走位和平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，要對(duì)步進(jìn)電機(jī)步距進(jìn)行高分辨率細(xì)分，這也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。

　　步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)是一種電子阻尼技術(shù)，其主要目的是提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的高精度細(xì)分。其基本概念為：步進(jìn)電機(jī)通過細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)，其步距角變小了。如驅(qū)動(dòng)器工作在10細(xì)分狀態(tài)時(shí)，其步距角只為電機(jī)固有步距角的十分之一。以兩相四拍為例：當(dāng)電機(jī)工作在不細(xì)分的整步狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)10o;而用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在10細(xì)分狀態(tài)時(shí)，電機(jī)只轉(zhuǎn)動(dòng)了1o。細(xì)分功能完全是由驅(qū)動(dòng)器或單片機(jī)靠精確控制電機(jī)的相電流所實(shí)現(xiàn)的，與電機(jī)本身無(wú)關(guān)。

　　細(xì)分原理 

　　兩相四拍A、B、/A、/B的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)表如表1所示。

　　兩相八拍A、B、/A、/B的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)表如表2所示。
從以上的分析可知，兩相四拍是整步運(yùn)轉(zhuǎn)不細(xì)分，兩相八拍其實(shí)是2細(xì)分。合成的磁場(chǎng)和電流矢量夾角以90o和45o的方式變化，如此往復(fù)循環(huán)。

　　參考相關(guān)資料后不難發(fā)現(xiàn)：細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)常用近似正弦波的階梯型電流代替矩形波電流，產(chǎn)生一個(gè)微步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而帶動(dòng)電機(jī)以更小的步距角轉(zhuǎn)動(dòng)，其電流波形和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)矢量如圖1所示。同時(shí)由于正弦波電流變化平滑，使電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)、噪聲更小。即通過改變相鄰兩相(A，B)電流的大小和方向(A相正弦波和B相余弦波矢量疊加)，以改變合成磁場(chǎng)的夾角，通過電流矢量合成的方式來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　硬件設(shè)計(jì)和軟件編程

　　根據(jù)細(xì)分原理可知，對(duì)于兩相步進(jìn)電機(jī)，需要同時(shí)控制兩組線圈的電壓大小和方向才能達(dá)到合成電流矢量控制的目的，控制線圈的電流大小有兩種方案：其一是通過單片機(jī)寫入數(shù)字量，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器件輸出模擬電壓，控制線圈電流大小;其二是通過某些單片機(jī)自帶的PWM引腳輸出占空比可控的方波，用其交流有效值控制線圈電流大小。很顯然，按照正弦規(guī)律變化的占空比決定了線圈電流大小也按照相同的正弦規(guī)律變化。線圈的電壓施加方向可以通過邏輯門電路來實(shí)現(xiàn)。

綜上，選用具有兩路16位精度PWM功能的ATMEGA48單片機(jī)，外圍硬件電路設(shè)計(jì)如圖2。

使用該單片機(jī)具有PWM功能的PB1和PB2連接PWM_A和PWM_B，使用兩個(gè)普通引腳連接DIR_A和DIR_B即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。原理說明如下：電機(jī)的A、/A、B、/B分別對(duì)應(yīng)四輸入與門電路的3、6、8、11引腳。在DIR_A和DIR_B為低電平時(shí)，門電路的1、9引腳為0狀態(tài)，三極管Q3、Q4截止，門電路的4、12引腳由于上拉處于1狀態(tài)，這樣，與門電路的3、8輸出為0，即A、B為0;此時(shí)與門電路的6、11輸出與PWM_A和PWM_B保持一致，即/A、/B由PWM_A和PWM_B決定。在其他狀態(tài)下，也具有同類特點(diǎn)：A和/A之間、B和/B之間的通電極性由DIR_A和DIR_B決定;A和/A之間、B和/B之間的電流大小由PWM_A和PWM_B的占空比決定。而且只要三極管Q3、Q4工作正常，與門電路就不會(huì)出現(xiàn)邏輯混亂的情況。

　　配合硬件的設(shè)計(jì)，軟件上編寫了一個(gè)由64個(gè)數(shù)據(jù)組成的數(shù)組，分別對(duì)應(yīng)了0~90o正弦波幅度變化的8位數(shù)字量化值(以階梯波的方式模擬了64點(diǎn)正弦波抽樣)，每個(gè)值用來控制輸出波形占空比，實(shí)際上參與了電流矢量夾角轉(zhuǎn)動(dòng)90o過程中其電流大小的計(jì)算。眾所周知，正弦、余弦波相位相差90o，在已知0~90o正弦波幅度變化表后，同樣可以得出90o~180o、180o~270o、270o~360o(0o)的正弦波、余弦波幅度變化表，所以通過0~90o正弦波幅度變化的8位數(shù)字量化表的演化，就可以在兩相八拍(二細(xì)分)的基礎(chǔ)上把電流矢量夾角分成四個(gè)象限，配合極性的控制，在每個(gè)象限中把A或/A的正弦波和B或/B的余弦波作8種組合，在每種組合中完成電流大小的變化，最終作到兩相64拍(16細(xì)分)的控制。而且，最巧妙的一點(diǎn)就在于：通過選擇64個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)每90o范圍的正弦波的64個(gè)點(diǎn)，就可以用一個(gè)字節(jié)的大小來作為區(qū)分4個(gè)象限的標(biāo)志，便于對(duì)正、余弦的角度進(jìn)行演化，即0~63對(duì)應(yīng)0~90o，64~127對(duì)應(yīng)90o~180o，128~191對(duì)應(yīng)180o~270o，192~255對(duì)應(yīng)270o~360o。

　　兩相64拍A、B、/A、/B的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)表如表3(以B為起始狀態(tài))。

　　由于儀表指針從當(dāng)前角指向目標(biāo)角時(shí)，變化量會(huì)有不同。為保證指針響應(yīng)靈敏、無(wú)抖動(dòng)，必須在正、反轉(zhuǎn)時(shí)考慮加、減速控制。程序中，可以根據(jù)變化量的大小和正負(fù)設(shè)定幾個(gè)控制區(qū)間，分別寫入不同的延時(shí)參數(shù)，根據(jù)此延時(shí)參數(shù)來控制電流大小、方向(改變PWM_A和PWM_B、DIR_A和DIR_B)變化時(shí)間，就達(dá)到了加、減速的控制的目的。

　　結(jié)語(yǔ)

　　通過雙PWM方式控制兩相步進(jìn)電機(jī)，既達(dá)到了高精度細(xì)分的目的，又在硬件成本上得到了優(yōu)化。在現(xiàn)有電路的后級(jí)增加功率驅(qū)動(dòng)電路并作程序的少量修改，就可以做成高精度、多細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。