李 男 黃乘順

（邵陽(yáng)學(xué)院 信息工程系，湖南 邵陽(yáng) 422004）

1 引言

目前在數(shù)控生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)型定位系統(tǒng)改造及機(jī)器人定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，有三分之二以上采用的是步進(jìn)電機(jī)作為伺服控制系統(tǒng)。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。在自動(dòng)化控制、精密器械加工、航空航天技術(shù)以及所有要求高精度定位、自動(dòng)記錄、自動(dòng)瞄準(zhǔn)等高科技領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分要求也越來(lái)越高，研制出一種高精度自動(dòng)定位系統(tǒng)無(wú)疑具有十分重要的意義[1]。因此，如何改善電機(jī)的控制方法以提高定位系統(tǒng)的定位精度，成為提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在，這正是論文研究的主要內(nèi)容。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)及其功率驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成一個(gè)開(kāi)環(huán)的定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)[2]。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(即步距角)。脈沖輸入越多，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度就越多；輸入脈沖的頻率越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越快。因此可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

2 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制器總體方案

系統(tǒng)總體方案見(jiàn)圖1所示。

圖2.1 系統(tǒng)方框圖

該方案的總體思路是：以51單片機(jī)為核心通過(guò)外部按鍵選擇細(xì)分碼，該選擇共有四種方法，分別是2細(xì)分、4細(xì)分、8細(xì)分、16細(xì)分四種選擇。設(shè)計(jì)中，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器決定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢，當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0溢出后P1.1使CLOCK接口電平發(fā)生變化，定時(shí)計(jì)數(shù)器 1溢出后，通過(guò)查表法給P0口賦值，接P0口DA芯片得到單片機(jī)控制將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換后的模擬數(shù)值經(jīng)過(guò)放大器，成為L(zhǎng)297斬波器的Vref電壓比較值。當(dāng)計(jì)數(shù)器0產(chǎn)生溢出后，控制L297的時(shí)鐘信號(hào)反轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器重裝初值。L297經(jīng)過(guò)斬波電路獲得驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的電流，L297內(nèi)部三段譯碼轉(zhuǎn)化成八步格雷碼驅(qū)動(dòng)L298，通過(guò)給L298驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電平，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，由此可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分[3]。

3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 L297步進(jìn)電機(jī)控制器

L297是步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)用控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號(hào)，可用于計(jì)算機(jī)控制兩相雙極和四相單級(jí)步進(jìn)電機(jī)，能夠用于單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進(jìn)電機(jī)。芯片內(nèi)的PWM斬波器電路可在開(kāi)關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電流。該集成電路采用了SGS公司的模擬/數(shù)字兼容的I2L技術(shù)，使用5V的電源電壓，全部信號(hào)的連接都與TTL/CMOS或者集電極開(kāi)路的晶體管兼容。圖中的變換器是一個(gè)重要的組成部分。變換器有一個(gè)三位計(jì)數(shù)器加某些組合邏輯電路組成，產(chǎn)生一個(gè)基本八步格雷碼。

八步格雷碼產(chǎn)生A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，由變換器產(chǎn)生四個(gè)輸出信號(hào)送給后面輸出邏輯部分，輸出邏輯提供禁止和斬波器所需要的相序。為了能獲得良好的速度和轉(zhuǎn)矩特性，相序信號(hào)是通過(guò)兩個(gè)PWM斬波器控制電動(dòng)機(jī)，每個(gè)斬波器用于雙極性步進(jìn)電機(jī)，其中一相用于單極性步進(jìn)電機(jī)每對(duì)繞組。每個(gè)斬波器包含一個(gè)比較器、一個(gè)觸發(fā)器和一個(gè)外部檢測(cè)電阻[4]。內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖2所示：

圖2 L297內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖

3.2 L298步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片及電路設(shè)計(jì)

L298是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片的主要特點(diǎn)是工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V。輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線(xiàn)圈等感性負(fù)載。采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)控制，具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作。有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作?？梢酝饨訖z測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路[5]。L298的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 L298內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.3 D/A轉(zhuǎn)換

DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片，與微處理器完全兼容。這個(gè) D/A芯片以其價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位 D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成，具體介紹見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

DAC0832是雙列直插式8位D/A轉(zhuǎn)換器。能完成數(shù)字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉(zhuǎn)換。DAC0832中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱(chēng)為輸入寄存器，它的允許鎖存信號(hào)為ILE，第二級(jí)鎖存器稱(chēng)為DAC寄存器，它的鎖存信號(hào)也稱(chēng)為通道控制信號(hào)。當(dāng)ILE為高電平，片選信號(hào) /CS 和寫(xiě)信號(hào) /WR1為低電平時(shí)，輸入寄存器控制信號(hào)為1，這種情況下，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化[6]。此后，當(dāng) /WR1由低電平變高時(shí)，控制信號(hào)成為低電平，此時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中，這樣輸入寄存器的輸出端不再隨外部數(shù)據(jù)DB的變化而變化。對(duì)第二級(jí)鎖存來(lái)說(shuō)，傳送控制信號(hào)/XFER 和寫(xiě)信號(hào) /WR2同時(shí)為低電平時(shí)，二級(jí)鎖存控制信號(hào)為高電平，8位DAC寄存器的輸出隨輸入而變化，此后，當(dāng) /WR2由低電平變高時(shí)，控制信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，于是將輸入寄存器的信息鎖存到DAC寄存器中。

3.4 電源電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)中，220V交流電壓經(jīng)過(guò)雙組線(xiàn)圈變壓器得到兩路低壓交流電，再分別由整流橋整流得到直流，電容濾波后分別經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓塊7815和7805得到15V、5V直流，直流輸出后加一個(gè)電容濾波得到平滑的直流電壓。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)的誤差來(lái)源主要有兩個(gè)，一個(gè)是步進(jìn)電機(jī)本身誤差，由于合成磁場(chǎng)的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，由于實(shí)際的步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱問(wèn)題也使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生誤差，各種原因使得在實(shí)驗(yàn)中步進(jìn)電機(jī)長(zhǎng)期停留在25.5〞不能再進(jìn)一步細(xì)分。另外一個(gè)主要誤差來(lái)源于本次電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)，在程序設(shè)計(jì)方面由于定時(shí)前要加一些判斷，使得CLOCK脈沖周期不可能完全相同，產(chǎn)生細(xì)分電流脈寬不可能完全相同，可能相差幾u(yù)s左右。電路設(shè)計(jì)原因主要是從 DAC0832出來(lái)的電流不為 0，所以從DAC0832出來(lái)后的電流不可能為 0，經(jīng)過(guò)運(yùn)放后產(chǎn)生的電壓和理想的電壓有點(diǎn)差別。通過(guò)實(shí)際制作后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果及誤差見(jiàn)表1所示（表中電壓?jiǎn)挝粸閙V)。

從誤差表來(lái)看，這些誤差相當(dāng)小，一些精度比較低的步進(jìn)電機(jī)誤差可以忽略不計(jì)。 但就是因?yàn)橛捎谶@些微小的誤差，使得步進(jìn)電機(jī)存在步矩角有微小的差異。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及誤差（電壓?jiǎn)挝籱V)

5 結(jié)論

該設(shè)計(jì)方案解決了步進(jìn)電機(jī)低頻振蕩、高頻失步和歩矩角大等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的高精度控制。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，具有高精度、低振動(dòng)，低噪音的特點(diǎn)，且具有動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)勢(shì)。但是，也存在一些問(wèn)題，比如步進(jìn)電機(jī)長(zhǎng)期停留在25.5〞，不能再進(jìn)一步細(xì)分，后續(xù)研究可以在這個(gè)方向做進(jìn)一步的改進(jìn)。

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