步進電動機是一種將離 散的電脈沖信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)角位移或線位移的電磁機械裝置，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應(yīng)的增量驅(qū)動元件。它具有轉(zhuǎn)矩大、 慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點，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。
實現(xiàn)細分驅(qū)動是減小步矩角、提高步進分辨率、增加電動機運行平穩(wěn)的一種行之有效的方法。目前步進電動機細分驅(qū)動控制，多采用量化的梯形波、正弦波作為細分驅(qū)動的電流波形，但實際上這些電流波形一般在步進電動機上均不能得到滿意的細分精度。
在合理選擇電流波形的基礎(chǔ)上，提出用AT89C52單片機控制實現(xiàn)的步進電動機斬波恒流細分驅(qū)動方案，其運行功率小，可靠性高，通用性好，細分精度高，具有很強的實用性。
2 細分電流波形的選擇及量化
步 進電動機的細分控制，從本質(zhì)上講是通過對步進電機的勵磁繞組中的電流控制，使步進電動機內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而實現(xiàn)步進電動機步矩角的 細分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進電動機旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩個合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步矩角的大小。因此，想要實現(xiàn)對步進電 機的恒力矩均勻細分控制，必須合理控制步進電機繞組中的電流，使電動機內(nèi)部合成磁場的幅值恒定，而且每個進給脈沖所引起的合成磁場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)運動，且幅值保持不便。這一點對于反映式步進電動機來說比較困 難，因為反應(yīng)式步進電動機來說比較困難，因為反映式步進電動機的旋轉(zhuǎn)磁場只與繞組電流的絕對值有關(guān)，而與電流的正反流向無關(guān)。以比較經(jīng)濟合理的方式對步進 電機實現(xiàn)步矩角的任意細分，繞組電流波形宣采用如圖1所示的形式
其中，α為電動機轉(zhuǎn)子偏離參考點的角度。 ib滯后于ia 2π/3, ic超前于ia 2π/3。此時，合成電流矢量在所有區(qū)間，
3 細分驅(qū)動方案及硬件實現(xiàn)
斬波恒流細分驅(qū)動的方案的原理為： 由單片機輸出 E?PROM 中儲存的細分電流控制信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，再取樣信號進行比較，形成斬波控制信號，控制各功率管前級驅(qū)動電路的導通和關(guān) 斷，實現(xiàn)繞組中電流的閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)步矩的精確細分。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、驅(qū)動電路、D/A轉(zhuǎn)換、E?PROM及可編程鍵盤/顯示控制器Intel8279 等組成，單片機是控制系統(tǒng)的核心。受控步進電動機的細分倍數(shù)、運行脈沖、正反轉(zhuǎn)、運行速度、單次運行線位移、啟/停等的控制即可由鍵盤輸入，也可通過與上 位機的串行通信接口由上位機設(shè)置。狀態(tài)顯示提供當前通電電動機、機電流大小、電動機運行時間、正反轉(zhuǎn)、當前運行速度、線位移及相關(guān)計數(shù)等的顯示，并將工作 狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳送給上位機。
傳感器（霍爾傳感器）由于檢測計數(shù)器的當前值。單片機的主要功能是輸出E?PROM中儲存的細分電流控制信號進 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)動的控制器選用的是8位的D/A轉(zhuǎn)換器MAX516。 MAX516把4個D/A轉(zhuǎn)換器與4個比較器組合在單個的CMOS IC（DIP20封裝）上4個D/A轉(zhuǎn)換器共享一個參考輸入電壓UREF均可采用下式表示
UDACi=UREFN/256
式中 N=0，1，…，255
N對應(yīng)于8位的DAC輸入碼D0～D7（此處為細分電流控制信號）。通過、調(diào)節(jié)UREF的變化范圍，便可調(diào)節(jié)步進電動機繞組中電流的幅值。
3.2 功率驅(qū)動電路
工 作中，步進電機組分電流控制信號的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Ui輸入到COMPi的反向 輸入端。斬波恒流驅(qū)動采用固定頻率的方波與比較器輸出信號調(diào)制成斬波控制信號，控制繞組的通電時間，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，且波動范圍不大。
調(diào)制用方波信號頻率為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致的功率開關(guān)誤導通，把 斬波控制信號與像序控制信號相“與”后去控制功放管。當開關(guān)截止時，并聯(lián)RC、恢復復續(xù)流二級管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。電流取樣信號由精密電流傳感放大器MAX471完成。當繞組電流流過其內(nèi)部 35mΩj精密取樣電阻時，經(jīng)內(nèi)部電路變化，轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號
VOUT=ROUT×（ILAOD×500μA/A）
其中ROUT為MAX471外部調(diào)壓電阻，阻值按設(shè)計要求選定；ILAOD為流過精密電阻的相繞組電流。MAX471同時具有電流檢測與放大功能，從而大大方便了整個電路的設(shè)計與調(diào)試。
功 率開關(guān)管（功放管）是功放電路中的關(guān)鍵元件，影響著整個系統(tǒng)的功耗和體積。由于所設(shè)計的驅(qū)動器主要用來驅(qū)動額定電流3A、額定電壓27V以下的步近電動 機，故選用高額VMOS功率場效應(yīng)晶體管IRF594（UDS=100V，RDS（ON）=0.052Ω，ID=27A）作為開關(guān)管。IRF504導通電 阻很小，因此，即使電動機長時間運轉(zhuǎn)，該VMOS管殼本身的溫度也比較低，無須外加風扇。為了提高步進電動機的工作可靠性，消除電動機電感性繞組的串擾， 本系統(tǒng)無論從驅(qū)動部分還是反饋部分都進行了隔離。驅(qū)動隔離采用了高速光電耦合器6N137為隔離元件，一方面可以實現(xiàn)前級控制電路同步進電動機繞組的隔 離：另一方面使功率開關(guān)管的驅(qū)動變的方便可靠。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)時截止頻率以上的瞬時高頻 電壓信號，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電動機的振蕩。線性光偶合電路的作用是將濾波后的采樣電阻反饋信號線性的傳輸給比較器。
4 軟件設(shè)計
步進電動機細分驅(qū)動控制的軟件主要由主控程序、細分驅(qū)動程序、鍵處理程序、顯示驅(qū)動 程序、監(jiān)控程序等部分組成。細分驅(qū)動主控制程序控制整個程序的流程，主要完成驅(qū)動的初始化、中斷方式的設(shè)置、計數(shù)器工作方式的設(shè)計及相關(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個中斷，其中，INT1為高優(yōu)先級，在運行狀態(tài)下當有停止鍵按下時，則INT1中斷服務(wù)程序?qū)0關(guān)閉，從而使步進電動機停止，T0控制每一步的 步進周期，該服務(wù)程序基本上只作重置定時期和置標志位的操作，而其他操作均在主程序中完成。其流程圖如圖3所示。細分驅(qū)動程序中，細分電流控制信號的輸出 采用單片機片內(nèi)E?PROM軟件查表法，用地址選擇來實現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細分，從而實時控制步進電動機的轉(zhuǎn)角位置，其流程圖如圖4所示。
5 結(jié)束語
本設(shè)計實現(xiàn)的步進電動機恒力矩細分驅(qū)動控制器，最高細分達到256細分，能夠適應(yīng)大多數(shù)中小微型步進電動機的可變細分控制較高細分步距角精度及平滑運行等要求。
該 驅(qū)動控制器已用于我們的校內(nèi)科研基金項目“全自動高精度線圈切割機”的驅(qū)動控制系統(tǒng)中。該切割機的拖動執(zhí)行元件為三相6拍步進電動機，其粗步距角為 1.5°，軸齒輪直徑為32mm，故步進電動機送料的粗步進位移為： πd×1.5/360=419μm。為進一步提高切割機定位精度和系統(tǒng)的運行平穩(wěn)性，采用上述細分驅(qū)動控制，細分級數(shù)為16時，切割定位精度為 26.2μm。從運行實際的情況看，該步進電動機驅(qū)動器實現(xiàn)了較高的穩(wěn)速精度和切割精度慣性小，運行可靠，取得了滿意的效果。
