步进电机微步驱动位置闭环控制的研究

恽为民  侯琳棋（哈尔滨工业大学）

    【摘  要】首先阐述步进电机的微步驱动原理及实现技术，然后提出微步驱动位置闭环控制的原理及控制程序流程，并介绍了8031单片机构成的控制器，最后给出试验结果。

【叙  词】步进电动机／微步驱动位置自动控制／闭环控制单片微型机

    步进电机主要有反应式、永磁式、混合式等3种类型，其优点是，数字式控制；成本低；低转子惯量；无漂移、无累积定位误差；能迅速加减速和停机；永磁式和混合式在停电时有较高定位转矩。主要缺点是，转换效率低；功率小；分辨率低；速度低；有丢步现象和低频振荡现象。

    随着步进电动机微型计算机控制技术的发展，步进电动机的工作性能得到很大提高。微步技术可使每步细分成125微步或更多。闭环控制技术提高了步进电机的位置控制精度、运行稳定性和平均输出扭矩[2]。

    微步(microstep)的概念是在70年代中期提出的。进行了研究[3 4]。微步数和徽步精度主要由控制器和步进电动机的特性决定。相   电流的选择有2种方法：①基于转矩一位移曲线。②基于把连续的磁场离散化。

    涉进电动机闭环控制方法主要有核步法位置闭环控制和超前角速度闭环控制。

   数N_s=8，转子齿数N_r=6，则每转步数为：

  步矩角为：

  R=360度/N=15度

  当A相通电时，转子停在与A相定子对准的状态，见图1。当A相通电转为B相通电时转子逆时针转过15度。当A相通电转为AB相通电时（见图2），转子逆时针转过7.5度，定位于AB相中间的一个电平衡点，当B相通电时，电流不是由零直接升至额定值IB，而是把其分成n个单位电流：

    图1 A相通电使B相电流随这个阶梯递增，通电状态对于图1所示四相步进电机，定子齿的变化为：

   

   

    那么转子将在每个微步状态AB,达到一个新的电平衡点，ABi与ABf．之间即构成一微步，A相二整步过程中的微步过程为：

    则四相微步驱动的步距角公式为：

   式中n-微步数，N——每转步数

    微步驱动技术实现的关键是各相绕组电流的选择。一般按静转矩位移曲线选择电流，但是实际的步进电动机静转矩位移曲线并不是图3所示的理想正弦曲线。另外，相电流和静转矩的关系也不能精确建立。因此，为了实际的运用和计算机控制器的便利，一般均匀划分相电流，但可能引起步矩角的不均匀，这可通过均化手段进行改善。

    本文实验系统中的步进电动机用作机器人的某一关节驱动器，采用四相混合式步进电动机，步矩角1.8度，两相通电微步驱动时，各相电流波形见图4。

  

    当电机通以图4所示从左至右的各相电流时，步进电动机顺时针微步运行。变化的阶梯电流对应的数字值存在E—PROM中，本文采用八位D/A转换，故数据范围为0～255，微步数也为1～255，实验系统中建立了1、5、10、25、50、100、200、255筹8种微步数，最小的步矩为：

    微步驱动是软硬件密切结合的技术。微步驱动电路的核心包括D/A转换电路、译码选通电路和压控恒流电源。单片机控制电路原理见图5，微步驱动电源电路见图6。

    控制器输出不同的数据给D/A转换电路，通过压控恒流电源可以获得阶梯相电流。- Vref（参考电压）的变化范围控制DAC转换的输出电压范围，从而也控制了步进电动机的运行电流范围，其优点是不需调节微步驱动电源中的限流电阻来控制运行电流的****值，从而避免了多余的功率损耗。

    图5中采用与8031完全兼容的8253进行计数，8253有3个16位定时器／计数器，由C/T₀计码盘顺时针的脉冲数，C/T₁计码盘逆时针的脉冲数，采祥时用闩锁操作进行飞读，经少量软件处理即可获得相对于零点****位置。

    4097为双路八通道模拟开关，选通端A、B、C分别和8031的P1.0、P1.1、P1.2相接。输入端有3种电压：-V_L，+V_h，+V_m，-V_L是高截止电压为负，接通-V_L相的电流为零； 接通+Vh相的电流为****，+V_h为可调，与 +V_m的****值保持一致，+V_m为D/A转换的输出，接通该相形成阶梯电流。为实现图4的相电流波形图，模拟开关选通序列如附表所示。图6为微步驱动专用电源，运算放大器A和达林顿三极管Q₁及限流电阻R构成一压控电流源，电机绕组L_a在A的反馈环外，其关系为：

  

  在反馈环节中，采祥电流和控制负载电流相差一基极电流：

    式中HFE-Q₁的动态放大倍数

    因此，选用高放大倍数的达林顿功放管可提高电流控制精度。

    步进电动机是数字式驱动器，由于自身就具有积分补偿作用，因此位置控制时没有累积误差。步进电动机位置闭环控制框图见图7。

    本文采用核步法实现微步驱动位置闭环控制，核步法原理是用光电编码器（或其它转角传感器）的输出信号计算步进电动机的累积微步数，并不断进行判断，当步进电动机的运行微步数等于指令微步数时，停止运行或运行新的指令值。微步驱动位置控制精度可以达到0.5个微步距角，且有很好的稳定性。实验系统中的步进电动机微步精度较高，同时需要光电码盘有匹配的精度。

   

    微步驱动位置闭环控制主程序流程见图8。软件设计要尽量简明,否则，计算时间过长，影响步进电机的****运行频率。

    4结  论

    根据机器人动态平衡实验系统的要求，步进电机在微步数为50的状态下运行，光电码盘5 0 0 0脉冲/r，达到位置控制精度0. 036度，在3r/min的低速运行时没有出现振荡现象。

    通过研究，可得出结论，用单片机可设计功能灵活的步进电动机控制器，实现步进电动机微步驱动位置闭环控制，从而大大提高步进电动机的位置控制精度和低频运行性能，在机器人、数控机床等场合，有广泛的应用前景。

图8控制主程序流程

 

    印度的SRI Katragadda电子有限公司最近推出的步进电动机包含有8种混合型和永磁型产品，每秒能激励零步到数干步，转矩1mNm～10Nm，准确度小于±0.005度。

    （陈善海译1993，2）