一种指数升降频正弦波细分的两相混合式直线步进电机驱动器研究
摘要：介绍了一种基于C8051F005单片机控制的两相混合式直线步进电机(LRⅡ)驱动器。驱动器具有恒流斩波、指数升降频和正弦波等幅均匀细分的功能。测试结果表明，驱动器具有良
好的动态和静态特性，并且结构简单，使用方便，可作为LtM本体研发的配套设备，通过修改软件参数也可推广应用于其它LtM的驱动控制，具有较好的应用前景。关键词：直线步进电动机，指数升降频，均匀细分，测试
0引言
目前我国自行研发的直线步进电机驱动控制器和国外相比差距很大，实际应用中多使用国外的通用驱动控制器，成本较高，国内产品种类很少，而且大部分产品细分只有较少档位，定位精度不理想，电机运行不流畅，噪音较大，调速控制几乎都采用直线升降速控制技术，不能很好地发挥直线步进电机的加虚陛能，速度可调节范围窄。这些因素严重制约了我国直线脉冲电机的推广应用。1驱动控制方案
1 1驱动控制技术概述
(1)常规驱动技术主要指单电压串电阻驱动、双电压驱动和高低压驱动。优点是电路简单、成本低，缺点是能量消耗大，电机低频运行不平稳，噪声较大，控制精度不够高”“。
(2)恒流斩波驱动技术优点是能够保证电机牵出转矩的平均值基本恒定，同时电机的高频响应得以提高，共振现象减弱，缺点是不能解决电机本身所固有的低频振动问题。
(3)细分驱动控制技术优点是能提高电动机的系统分辨率和运行平稳性，解决低频振动问题，进一步改善系统的牵出特性。
(4)加减速升降频控制技术优点是避免因失步无法起动、运行过程中失步及停止时过冲等现象。
1 2方案选择
Lmd最动和噪声比其他类型的微电机都高。细分驱动技术可将电机的脉冲细化，减小步距，保证电机低速时平稳运行；在电机相数和极数一定的情况下能提高电机的分辨率，实现精确定位。由I_,PM力一速特性可知，电机的电磁推力随着脉冲频率的上升而下降，起动频率越高，起动电磁
推力越小，带载能力越差。当起动频率较高时，起动时会造成失步，停止时又会发生过冲。因此，当电机以较高的速度工作，必须借助于升降频控
制才能实现，但如果升降频过程中输出的脉冲频率变化不合理，则使电机失步且升降速时间延长，甚至使电磁推力达不到设计指标，限制了电机的****工作速度∞J。
综上所述，驱动控制方案确定为按指数规律升降速的正弦波等幅均匀细分驱动控制。
2 算 法
2．1正弦波细分算法
【,PM可认为是旋转步进电机的展开，所以，旋转步进电机正弦波等幅均匀细分算法也同样适用于对LPM的控制。
设两相混合式旋转步进电机的两相绕组中电流满足如下相角关系：
 式中，p为电机轴预置位置的电角度；k为永磁铁等效励磁电流的幅值。
对于理想化模型(不计铁心饱和的影响并忽略磁导中高次谐波的影响)，两相绕组中分别通人模拟的正、余弦电流则可得到类似同步机的转矩特
性，使电机均匀旋转。等幅均匀细分算法是用有限的数字化电流量来模拟正弦电流，从而实现驱动控制。图l为8细分时，在一个步距内电机A、B两相绕组电流的变化情况。
2．2指数升降频算法
一般的升降速规律设计，常常选择按直线规律升降速。这种控制方法简单。但由于它的脉冲频率变化为一个恒定的加速度，所以不能保证升降速过程中动子加速度的变化与它的电磁推力变
化相适应，未能很好地发挥电机的加速性能。因此，有必要对脉冲频率进行合理地研究与论证，
寻求一种较理想的升降速曲线，使电机在运行过
程中能够快速定位，并且运行步数准确∽。J。
为了找出理想的升降速规律，依据LPM动力学方程和力一速度特性曲线推导升降速曲线如下：直线脉冲电机的动力学方程式
减速为加速的逆过程。减速段从匀速速度开始。
由式(5)、式(6)可知，运行速度”和时间足指数规律。
图3中曲线1为推导出的理想升降速曲线。控制中为了便于编制程序，用阶梯曲线2来逐渐逼近升降速曲线，以此拟合升降速算法。图中纵坐标是速度，反映频率的高低(‰为要求达到的工作速度)，横坐标是时问，各段时问内走过的步数用Ⅳ未表示。步数实质上反映运行距离。本文采用等时问分割法。升速段的具体算法为：
将升速段均匀地离散为”个等时问段，可求得加速段的总时问为：
由图3可知，”越大曲线2越接近曲线l，电机运行越平稳，但速度的档位也相应增多。实际取值时，满足彳．彳一，<工即可，Z为系统的允许
突跳频率，可由电机的****空载启动频率求得，一般取****空载启动频率的l／2、l／3。降速段的
算法和升速段类似。3驱动控制系统的实现
3．1硬件
主要硬件配置情况如图4所示。控制单元核心部件选用c805lF005单片机。该单片机运行速度快，利用片内集成的资源，在保证系统高可靠性
的同时有效地减小了系统的体积。
绕组B的过流保护电路如图5所示。电机额定电流为1．2 A帽，过流系数取为1．25，取样电阻采用1％精度的金属膜电阻，阻值为0．168 Q。后来自取样电阻，经滤波网络滤除尖峰干扰后由单片机cPl揣送单片机片内比较器l的同相端，经分压电阻分得0．25 v的给定电压由单片机。
．端送片内比较器l的反相端。绕组电流超过1．488 A，比较器l翻转，引起过流保护中断：单片机在执行过流中断服务子程序中，停送控制脉冲，关断驱动芯片电路，实现过流保护。绕组A的过流保护电路同绕组B。
两片专用恒流驱动芯片uc3717A的ll引脚分别接单片机内部两个D／A转换器的输出端DAc0、DAcl，为电机的A、B两相绕组送细分台阶电压u。。8引脚分别接单片机的R。、R，决定电机A、B两相绕组励磁电流的方向。9、7引脚接单片机的R：、R，，决定驱动芯片的电流档位。
3．2软件
1)总体方案
软件设计采用结构化模块程序。各模块和分支结构如图6所示。
系统软件主要由三大模块组成。其中运行方式模块将主程序分为定位运行方式、匀速往返运行方式、加减速运行方式三个分支。功能子程序模块主要完成运算、控制等功能。中断服务模块中定时器T(】中断给LM送运行控制脉冲：13定时器中断动态显示所设定的运行参数：过流保护中断进行系统保护。
2)流程图
主程序流程图如图7所示。系统初始化完成之后，首先通过调用键扫描和显示子程序设置运行方式和对应参数，依据用户设定的细分数计算并填写励磁电流表，然后进入相应的运行方式。其中，定时器T0中断子程序控制直线电机运行一微步，当所有预置步数走完后完成一次运行任务．返回等待下次任务。
TO中断服务子程序给绕组按式(1)规律送正向或反向励磁电流。表1为依据所设定的细分数。调用余弦函数计算出的与绕组励磁电流对应的DAC数字量。表2为与之配合的决定绕组励磁电流方向的方向电平。
升速控制中，需要查升速步数和对应的时间常数表。为了少占用c刚资源，按升速算法将数据计算好填入表3和表4，并将它们固化在单片机ROM中。程序执行时可直接查用。减速段等分时间同加速段，所需数据通过软件调用指数函数适时计算获得。
注：式中△沩等分时间5 msⅣ。为各台阶对应步数；靠十幛一16MHz
4 DAc输出阶梯电压波形及其与方向
电平的配合
2细分、10细分和100细分的DAc输出波形如图8所示。2细分、10细分和100细分DAc输出波形和单片机输出的方向电平配合如图9所示。从图中可看出，随着细分数的增加，波形的毛刺变少，波形越来越接近理想的正弦波。各细分下DAc输出波形和方向电平完全同步。
5结语
(1)采用单片机高端产品c805lF005，扩大了细分度(2～255)和速度调节范围(40删n／s～300mill／s)。利用其内部集成的资源，提高了系统的稳定性，减小了系统的体积。
(2)将依据动力学方程和力_速特性推导的加减速方程，用于对样机的指数升降速控制，加快了系统的响应速度，改善了系统的调速性能。
(3)通过等幅均匀细分驱动控制技术，细分度在较大范围内连续可调，提高了定位精度，减小了脉动程度和运行噪音，增加了系统的平稳性。
(4)用汇编语言编制软件，程序执行速度快。系统软件嵌入了浮点数运算子程序库，实现了数据的实时运算与存储。
(5)具有定位、匀速往返、加减速三种运行方式，记忆功能使电机在任意位置启动后均可被复位返回起点。
参考文献
【1】周明安，朱光息步进电机驱动技术发展及现状【LIll机电 工程技术，2005，34(2)：16—17
【2】杨大伟直线电机应用概况和发展动态【LIll电子机械，2004，(5)：2_3
【3】高云广直线脉冲电机运行特性的分析及其驱动系统的研究【D】太原：太原理工大学硕士学位论文，2006，1_7＆
【4】Peter ctno sija，Bmiishv Ku甜a11(】vic MlCrOcomputer 111pldllen—tamn of 0ptillal A蜘ri廿Ⅱll s南r cbsed|bop contn)1 of H如ridStepperMoterDrive【J】 ⅢEE Trasactlon【on：[ndustrial Electrorl—ics，2000，47(6)：1319—1325
【5】李晓菲，胡泓步进电机加减速控制规律【LIll机电产品开发与创新，200(；，1(19)：122—124
【6】李海波单片机对步进电机三相六拍指数规律升降速的并行控制【D】北京：北京化工大学硕士学位论文，14一19
【7】牛华，王建峰基于Smulink 4的两相混和式直线步进电机 动态仿真分析【LIll太原理工大学报，2003，34(1)：23—25
|
