專(zhuān)用芯片的步進(jìn)電機(jī)步距角i11分控制

摘要 自動(dòng)控制系統(tǒng)的綜合性能在很大程度上取決于步進(jìn)電機(jī)的精確度，細(xì)分技術(shù)可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)的距角精度。利用細(xì)分算法控制AT89C51單片機(jī)輸出具有一定時(shí)序的方波控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)TA8435芯片處理后輸出相應(yīng)的階梯波來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制。本文重點(diǎn)就TA8435芯片的使用與控制進(jìn)行詳細(xì)介紹。
關(guān)鍵詞 步進(jìn)電機(jī) TA8435 AT89C51 步距角細(xì)分 步進(jìn)電機(jī)

引 言
    步進(jìn)電機(jī)是控制執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)和精密機(jī)械等領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線性位移的驅(qū)動(dòng)裝置，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度和脈沖頻率能?chē)?yán)格同步，具有較高的重復(fù)定位精度，且沒(méi)有累積誤差。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是由驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)的，驅(qū)動(dòng)電路和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體。
    步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和成本低的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在振蕩、失步以及精度不夠的問(wèn)題，從而制約了在高精確度自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，如雕刻機(jī)、打印機(jī)、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、繪圖儀、鉆孑L機(jī)等。采用細(xì)分控制可以很好地提高精度，因此對(duì)基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究有著實(shí)際的意義。

1 原理與方案
1．1 細(xì)分原理
    細(xì)分控制本質(zhì)上是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組中的電流進(jìn)行控制，使內(nèi)部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量的夾角大小決定了該步距角的大小。
    細(xì)分就是將輸入脈沖從原來(lái)的電流方波細(xì)分成以若干個(gè)等幅、等寬上升和下降的電流階梯波。電流波形有多少個(gè)臺(tái)階，轉(zhuǎn)子就會(huì)以同樣的個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。
    這種將1個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)方法稱(chēng)為“細(xì)分驅(qū)動(dòng)”。
    細(xì)分驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是，可以在不改變電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，使步距角減小、提高精度；同時(shí)能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，提高勻速性，此外，還能減弱或消除振蕩。
1．2 細(xì)分方案
    如采用DSP的軟件細(xì)分方式，具有編程的靈活性、細(xì)分的成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但單一的軟件細(xì)分在精度與速度兼顧上會(huì)有矛盾。細(xì)分的步數(shù)越多，精度越高，但步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度卻會(huì)降低；要提高轉(zhuǎn)動(dòng)速度，細(xì)分的步數(shù)就得減少。
    如采用FPGA的全數(shù)字化控制方式，工作過(guò)程為PwM的輸出經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)的繞組電流。電機(jī)的繞組電流被采樣后變成電壓信號(hào)輸入到電流傳感器，傳感器輸出占空比變化的PWM波輸入到FPGA中，F(xiàn)PGA根據(jù)輸入的PWM波的占空比的值確定反饋電流的大小；但這種方式存在功耗高，成本高的缺點(diǎn)。
    如采用脈沖調(diào)制單片機(jī)細(xì)分控制方式，單片機(jī)按控制要求輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)過(guò)TA8435集成芯片放大調(diào)制，形成的階梯波對(duì)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分控制。由于單片機(jī)細(xì)分控制在精度與速度上不存在矛盾，兩者可以單獨(dú)運(yùn)行，而且單片機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)步距角的細(xì)分，提高步距角細(xì)分的精確性，所以單片機(jī)細(xì)分控制是比較理想的低成本細(xì)分方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    為便于實(shí)驗(yàn)調(diào)試以及系統(tǒng)的設(shè)置與監(jiān)控，系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)、AT89CC51單片機(jī)、TA8435步進(jìn)電機(jī)細(xì)分芯片、LED顯示模塊、波形顯示模塊、按鍵等幾部分構(gòu)成，如圖1所示。從功能上又可分為方波與階梯波兩部分。

2．1 方波部分
    AT89C51是一種低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)，具有8 KB可編程Flash存儲(chǔ)器，在外圍電路配合下輸出對(duì)應(yīng)的需要步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作的方波。脈沖的個(gè)數(shù)和頻率直接對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行控制，按鍵與顯示模塊可以方便地設(shè)置和監(jiān)控。[!--empirenews.page--]
2．2 階梯波部分
    TA8435是產(chǎn)生階梯波的核心芯片，波形顯示模塊可以直觀顯示階梯波形。
    (1)TA8435的特點(diǎn)
    TA8435是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細(xì)分二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用芯片，具有以下特點(diǎn)：
    ①工作電壓范圍寬(10～40 V)；
    ②輸出電流可達(dá)1．5 A(平均)和2．5 A(峰值)；
    ③具有整步、半步、1／4細(xì)分、1／8細(xì)分運(yùn)行方式供選擇；
    ④采用脈寬調(diào)試式斬波驅(qū)動(dòng)方式；
    ⑤具有正／反轉(zhuǎn)控制功能；
    ⑥帶有復(fù)位和使能引腳；
    ⑦可選擇使用單時(shí)鐘輸入或雙時(shí)鐘輸入。
    (2)TA8435的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    TA8435主要由1個(gè)解碼器、2個(gè)橋式驅(qū)動(dòng)電路、2個(gè)輸出電流控制電路、2個(gè)最大電流限制電路、1個(gè)斬波器等功能模塊組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    (3)TA8435的引腳
    TA8435的引腳如表1所列。
    (4)TA8435的細(xì)分工作原理
    在圖3中第一個(gè)CK時(shí)鐘周期時(shí)，解碼器打開(kāi)橋式驅(qū)動(dòng)電路，電流從VMA流經(jīng)電機(jī)的線圈后經(jīng)RNFA后與地構(gòu)成回路。由于線圈電感的作用，電流是逐漸增大的，所以RNFB上的電壓也隨之上升。當(dāng)RNFB上的電壓大于比較器正端的電壓時(shí)，比較器使橋式驅(qū)動(dòng)電路關(guān)閉，電機(jī)線圈上的電流開(kāi)始衰減，RNFB上的電壓也相應(yīng)減?。划?dāng)電壓值小于比較器正向電壓時(shí)，橋式驅(qū)動(dòng)電路又重新導(dǎo)通。如此循環(huán)，電流不斷的上升和下降形成鋸齒波，其波形如圖3中IA波形的第1段。另外由于斬波器頻率很高，一般在幾十kHz(其頻率大小與所選用電容有關(guān))，在OSC作用下，電流鋸齒波紋是非常小的，可以近似認(rèn)為輸出電流是直流。在第2個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始時(shí)，輸出電流控制電路輸出電壓UA達(dá)到第2階段，比較器正向電壓也相應(yīng)為第2階段的電壓，因此，流經(jīng)步進(jìn)電機(jī)線圈的電流從第1階段也升至第2階段2，電流波形如圖JA的第2部分。第3、4時(shí)鐘周期的工作原理與第1、2周期是一樣的，只是又升高了比較器的正向電壓而已。如此最終形成階梯電流，即加在線圈B上的電流。在CK一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，流經(jīng)線圈A和線圈B的電流共同作用，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)細(xì)分步。

    (5)電路中TA8435引腳的設(shè)定
    ①TA8435的工作方式設(shè)定。TA8435有4種工作方式，分別代表著無(wú)細(xì)分、2細(xì)分、4細(xì)分、8細(xì)分。工作方式由M1、M2引腳電平的組合來(lái)決定：M1：O、M2一O時(shí)，細(xì)分?jǐn)?shù)=無(wú)；M1=O、M2=1時(shí)，細(xì)分?jǐn)?shù)=2；M1=1、M2=0時(shí)，細(xì)分?jǐn)?shù)=4；M1=1、M2=1時(shí)，細(xì)分?jǐn)?shù)=8。本設(shè)計(jì)為了步進(jìn)電機(jī)能平穩(wěn)工作，選擇8細(xì)分，即將M1、M2置為高電平。
    ②控制脈沖的輸入設(shè)定。TA8435有兩個(gè)脈沖輸入引腳CKl、CK2，可以用來(lái)輸入兩路脈沖。當(dāng)其中一個(gè)引腳輸入脈沖時(shí)，另一個(gè)引腳必須保持高電平。本設(shè)計(jì)中，控制脈沖只有一路，因此直接接入CKl，同時(shí)將CK2置高，即可滿(mǎn)足要求。[!--empirenews.page--]
    ③驅(qū)動(dòng)電流的設(shè)定。TA8435輸出的驅(qū)動(dòng)電流由VNF和NFA、NFB引腳上所連的檢測(cè)電阻RNF決定，公式為Io=VNF／RNF；而VNF的大小由REF IN引腳電平?jīng)Q定，即高電平時(shí)VNF=0．8 V，低電平時(shí)VNF=O．5 V。本設(shè)計(jì)中所需驅(qū)動(dòng)電流為1．5 A，因此設(shè)定REF IN引腳為高電平，RNF=O．53 Ω。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

    (6)步進(jìn)電機(jī)接口
    本電路采用四相六線制的PM42L-048系列永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。電機(jī)的主要參數(shù)為：步距角7．5。，步距角精度±7％。電機(jī)接口電路如圖5所示，四相按二相使用可以提高步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。D1～D4快恢復(fù)二極管用來(lái)泄放繞組電流，其型號(hào)為IN5822。

3 運(yùn)行測(cè)試
    在同等條件下做兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：51單片機(jī)按照鍵盤(pán)的設(shè)置輸出相應(yīng)時(shí)序的脈沖，此脈沖為T(mén)A8435的輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)1設(shè)置整步運(yùn)行工作方式，TA8435輸出的脈沖沒(méi)有變化；實(shí)驗(yàn)2設(shè)置1／8細(xì)分運(yùn)行工作方式，TA84．35輸出的脈沖變化為上升與下降均有8個(gè)階梯波形，以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分。1／8細(xì)分時(shí)，每個(gè)脈沖轉(zhuǎn)O．981 7。，轉(zhuǎn)換成步距角為O．9802°×8=7．8416°與整步運(yùn)行方式測(cè)量值比較過(guò)后，其步距角精度提高23％。每個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)的角度如表2所列。

結(jié) 語(yǔ)
    在低速工作時(shí)，可以選用1／4細(xì)分或l／8細(xì)分模式，以提高步距角精度；在高速工作時(shí)，細(xì)分模式有可能達(dá)不到要求的速度，這時(shí)可以選用整步或半步方式，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，振動(dòng)小、噪聲也小。采用單片機(jī)可以方便地控制TA8435在幾種工作模式之間的切換，而且TA8435細(xì)分芯片具有價(jià)格低、控制簡(jiǎn)單、工作可靠的特點(diǎn)，所以本方案實(shí)現(xiàn)的細(xì)分控制技術(shù)可以有效地提高步進(jìn)電機(jī)的控制精度，減小步進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)并降低其噪聲。此項(xiàng)目是課題組在福建省科技廳的支持下研究開(kāi)發(fā)的，其已在智能居家系統(tǒng)中的動(dòng)作執(zhí)行部分運(yùn)行；工作可靠，性能穩(wěn)定。