转位机构控制及细分驱动

文/刘生攀

1　概述

为了保证电机的平稳运行，提高定位精度，在第二阶段的电机驱动控制电路的设计中，采用了细分驱动技术，通过高集成度的单片机和驱动芯片予以实现，达到了小型化和高精度的目的。

2　控制功能

转位机构需要实现初始零位检测、180°转位和回到零位的功能。

初始零位检测为转位机构的初始定位，每一次寻北过程开始，都需要驱动步进电机旋转以检测初始零位，并且为了减小结构上的机械间隙，每次定位到零位前的旋转方向都需要与180°转位的方向一致。

180°转位只需要通过单片机控制步进电机向固定的方向旋转固定的角度。

回到零位对定位精度要求较低，只需要向与180°转位的方向相反的方向旋转并检测到零位即可。

3　细分驱动原理

步进电机的细分驱动普遍采用电流矢量恒幅均匀旋转的细分方法。对于两相混合式步进电机，通过控制两相绕组的相电流，使得电流的合成矢量恒幅均匀旋转，从而使电机的转矩矢量在空间恒幅均匀旋转，达到细分步进电机步距角的目的。

对于两相混合式步进电机，通过给A、B两相绕组供给正余弦电流，就可以实现电流的合成矢量恒幅均匀旋转。绕组电流变化曲线为：

式中：

ia——为A相绕组电流；

ib——为B相绕组电流；

iM——为绕组峰值电流；

x——为角度参数。

当x变化90°时，步进电机旋转一个整步距角，将90°的变化量均匀细分，细分数越多，则分辨率越高。从理论上讲，如果绕组中电流与理论控制电流相等，并且绕组中电流与磁场幅值成线性关系，则精度可以精确达到整步距角除以细分数。

4　控制及驱动原理框图

实现的原理框图见图1。

图1　

5　控制及驱动说明

5.1　单片机

为实现细分函数，单片机必须有2路D/A转换器。为实现光电检测，必须有1路中断。为尽可能减少外围元器件数量，减小驱动控制占用的空间，选用了CYGNAL公司的C8051F124,具有以下优点：

5.1.1高速8051 微控制器内核

（1）流水线指令结构；70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期；

（2）使用内部集成PLL 时速度可达100或50MIPS。

5.1.2片内自带存储器

（1）8448 字节内部数据RAM（8K +256）；

（2）128KB 或64KB 分区FLASH；可以在系统编程，扇区大小为1024 字节。

5.1.32 个 12 位 DAC

（1）可用定时器触发同步输出，用于产生无抖动波形。

5.1.4数字外设丰富

（1）8 个8 位宽端口I/O（100TQFP），耐5V；

（2）4 个8 位宽端口I/O（64TQFP），耐5V；

（3）可同时使用的硬件SMBus(I2CTM兼容)、SPITM 及两个UART 串行端口；

（4）可编程的16 位计数器/定时器阵列，有6 个捕捉/比较模块；

（5）5 个通用16 位计数器/定时器；

（6）专用的看门狗定时器；双向复位引脚。

5.1.5自带时钟源（1）内部精确振荡器：24.5MHz；（2）可灵活配置的PLL；

（3）外部振荡器：晶体、RC、C、或外部时钟。

从以上优点可以看出，对实现最小系统而言，使用C8051F124是非常合适的，除了需要提供供电电源外，不需要其它任何外围元器件就可以实现转位控制的所有功能。

5.2　指令接收

指令接收使用C8051F124的P0.3I/O口线实现，由于使用一条I/O口线实现3种类型指令接收，因此需要制定内部协议，采用不同的指令脉冲宽度代表不同类型的指令。在单片机程序中通过内部定时器检测接收到的指令脉冲宽度进行指令判别，然后执行相应的转位子程序。

5.3　光电检测

为实现零位检测，选用了ST135型光耦进行光电检测，ST135型光耦包括一个发光二极管和一个接收器，当发光二极管的光路被挡片遮挡时，接收器将输出一个下降沿。将接收器的输出接入单片机的0号中断，当产生中断时，停止电机旋转，从而定位到零位点。

6　细分函数实现

为实现步进电机的细分驱动，需要实现式（1）所示的电流函数波形。对驱动器而言，对电机绕组电流的控制是采用给定参考电压实现的。而参考电压的输出可以采用单片机的D/A通道输出，则电机绕组的正余弦电流可以根据细分数量化为D/A电压数据，采用查表法输出。在转位驱动中，结构设计采用了62的减速比，根据总体精度，对步进电机驱动细分数采用64细分即可以满足要求。因此，对式（1）进行转换如下：

式中：

ia——为A相绕组电流；

ib——为B相绕组电流；

UM——为参考峰值电压；

R——为取样电阻阻值；

n——为微步数，0～255。

7　结论

本文对步进电机的细分驱动原理进行了阐述，并通过工程实践，设计制作了转位控制驱动电路及程序，实现了转位机构控制和驱动电路的小型化和高精度，具有较高的实用价值。