摘要：以at89c205l单片机为控制核心，结合数／模转换器nju39612及双极性驱动器njm3777，采用等步距角的细分控制策略，设计出一种新颖的步进电机恒流斩波细分驱动控制系统。当选用步距角为0．9°／1．8°的混相混合式步进电机，配导程为l mm的精密滚珠丝杆时，系统可实现对步进电机单步微调位移为o．02／0.04um的控制精度。
　　关键词：步进电机；等步距角；细分驱动；位置控制

   0  引  言

      步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构。但受制造工艺的限制，其步距角是有限的，而在一些精密控制系统中往往希望有较高的位移精度，例如精密仪器定位、数控加工等场合，这就要求步进电动机的步距角必须很小，才能实现高精度的位移和调整。为满足精密位置控制，步进电机常采用细分驱动方式。文献[3]提出用具有电流补偿功能的相电流细分驱动技术，系统简单、控制灵活，但外围电路参数难以整定，细分精度不高。文献[4]提出基于dsp的spwm细分驱动技术，控制系统使用专用集成芯片，可靠性较高，但控制不够灵活。
　　为简化系统、降低成本及提高精密度，本文介绍一种实用的步进电机细分驱动控制系统。新系统以软件和硬件相结合的控制模式，采用单片机at89c2051为控制核心实现软件细分，数模转换器(nju39612)和双极性驱动器(njm3777)实现步进电机的步距细分、脉冲分配及恒流斩波。
　　1等步距细分原理

      所谓细分就是把原来的一步再细分成若干步，使步进电动机的转动近似匀速运动，并能在任何位置停步。为达到这一目的，可将原来的矩形脉冲电流转变为阶梯波电流，如图1所示。图1为四相八拍四细分模式对于四相步进电机半步工作状态，脉冲分配按a1→ab_→b_→bc_→c_→cd_→d→da→a的顺序轮流通电。如果要将每一步细分成4步走完，则可将电机每相绕组的电流分4个台阶投入或者切除。从图2可以看出合成磁势的旋转情况。
　　在a—ab过程中，a相绕组电流保持额定值不变，控制b绕组电流分成四部分递增通人。如果这四步每步转过的步距角分别为θ1θ2θ3和θ4，此时这四步才走完未加细分工作时的一拍，即θ1+θ2+θ3+θ4=θb。同理在ab→b过程中，b相绕组电流保持额定值不变从而控制a绕组电流。不细分时电动机运行八拍时，每步的步距角理论上是一样的即θ1=360°／8=45°，细分后步距角应该为θ1=45°／4=11．25，但上述细分方法各步的步距角并不相同。由图2根据三角函数可以计算出：　　tanθ1=1／4，tan(θ1十θ2)=1／2，tan(θ1+θ2+θ3)=3／4，所以可算得θ1=14．04°，θ2=12．53 °，θ3=10．30°，θ4=0b一0i一02—03=8．13。可见θ1≠02≠03≠04≠11．25°，步距角不均匀容易引起电动机的振动和失步。如果要使细分后步距角仍然一致，则通电流的台阶就不应该是均匀的。如若使01=11．25°，则ib=lntan01=0．1989in，同理可以计算出02、03、04都为11．25°时的ib值。表1给出了等距细分时步进电机通电相电流各台阶的数值。其中s为细分步距，k为脉冲序号，i/in为通电相电流与额定电流的比值。

　　2控制系统实现

     2．1硬件构成本控制系统以at89c2051单片机为核心。结合步进电动机双极性驱动芯片njm3777驱动步进电动机，且通过一个双7bit数／模转换器nju39612分别调制对应于njm3777上的参考电压vr即组成了步进电机细分驱动控制系统，如图3示。

　　为确保驱动控制系统达到精密要求，选用的驱动器njm3777内部包含了一个数字滤波器，防止由于开关暂态引起的误动作。在接通时，时钟振荡器提供一个消隐脉冲，滤去电流反馈上的暂态电压。消隐时间由12引脚电容决定：tb=210c，取c=4 700 pf，则消隐时间tb≈1 s。时钟振荡器

　　频率由公式：fs=l／(0．77rc)，取r=12 kω，得到23 hz。这样的频率减少了电流纹波有效地改善了低电流的线性问题。
　　njm3777实现恒流斩波控制是由开关方式获得的：绕组电流流过传感电阻rs，电流反馈电压信号送至比较器，比较器的另一个输入是参考电压vr当反馈电压达到参考电压vr值时，比较器输出翻转重置rs触发器，关闭高侧输出晶体管。
　　输出电流衰减，直至下一个时钟脉冲的到来，使触发器翻转，输出晶体管重新导通，每个周期这样重复，维持输出平均电流在一个恒定值上。
　　njm3777在不增加任何外围扩流器件时，可直接驱动步距角o．9／1．8°，驱动电压+24 v，脉冲相电流800 ma以下的两相混合式步进电机(例如byg4501型等)，以此构成的控制系统极为简单，具有较高的性价比。
　　2．2软件实现为减少机械误差，保证步进电机运行平稳不失步，因此采用等步距角细分技术。设细分数为_n，相额定电流值为in步进电机由a—ab旋转角度时，绕组a电流值不变，控制绕组b各个时刻电流值计算如下：

     式中，nb为b绕组电流细分脉冲数(nb=1,…，n)。
　　在软件设计过程中，为减少系统的运算量，提高程序的执行效率，在系统运行之前，预先要将各个时刻等距细分电流波形所对应的数值编制成表存于at8989c2051单片机数据存储器中。每有一个细分脉冲发生时，运行程序查表调用数据存储器中的电流值，再通过i／o口p1．0～p1．7送人nju39612数／模转换器转换成模拟电压后，顺次改变n．jm3777的参考电压vr，使通过绕组的电流阶梯增大或减少，面不是一次通入或切断。控制系统脉冲信号由at89c2051单片机内部的定时器o及定时器1产生，其中定时器0用于产生控制转速的脉冲信号，即细分信号周期，设频率为fn步进电机所需细分脉冲数由定时器l产生，设脉冲频率为f1，且有：
　　f1=nf0=ncm   (4)c：整步等于1，半步等于2；m为电机绕组相数。
　　系统流程如图4所示。