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基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)的研究
湛江技師學(xué)院 盧金盈 2014/1/9 21:14:06
摘要：步進(jìn)電機(jī)通過細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)來減小步距角，從而增加電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，盡量減小或者消除步進(jìn)電機(jī)低頻振蕩，降低噪聲，顯著改善其動態(tài)性能，增加控制的靈活性等，從而滿足某些高精密定位、精密加工等方面的要求。本文主要探討單片機(jī)在步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分驅(qū)動，控制
細(xì)分驅(qū)動也稱微步驅(qū)動，它是通過控制電動機(jī)各相繞組中電流的大小和比例，從而使步距角減少到原來的幾分之一至幾十分之一(一般不小于十分之一)。提高了步進(jìn)電機(jī)的分辨率并減弱甚至消除了振蕩，會大大提高電機(jī)運(yùn)行的精度和平穩(wěn)性。實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動，就是要在每一步距角α之間產(chǎn)生若干合力矩為零的平衡點(diǎn)。這可以通過改變相電流的大小和通電相數(shù)、相序來達(dá)到。
1步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)
對應(yīng)一個(gè)通電脈沖，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一步。當(dāng)三相步進(jìn)電機(jī)在雙三拍方式工作時(shí)，由于兩相同時(shí)通電，則轉(zhuǎn)子齒與定子齒不能對齊，而是停在兩個(gè)定子齒的中間位置，若兩相通以不同大小的電流，那么轉(zhuǎn)子齒不會停在兩相定子齒的中間，而會偏向于繞組通電電流較大的那個(gè)齒。如果將額定電流分成n（n為正整數(shù)）等分，使同時(shí)通電的兩個(gè)繞組的通電電流差按1/n逐漸變化，從額定電流的-1倍依次增加到+1倍，則此時(shí)步進(jìn)電機(jī)一次轉(zhuǎn)動的步距角就會變成原來步距角的1/2n左右，但這種對額定電流的線性分配不能保證步距角的線性變化。
實(shí)際上，步進(jìn)電機(jī)的步距角可用控制繞組電流大小的方法(在零至額定電流之間)進(jìn)行步距角細(xì)分，即使用細(xì)分驅(qū)動電路，也稱微步控制技術(shù)。這樣繞組電流由矩形波供電改為梯形波供電。矩形波供電時(shí)，繞組中的電流基本上從零值躍到額定值，或從額定值降至零值。而梯形波供電時(shí)，繞組中的電流經(jīng)若干階梯上升到額定值，或經(jīng)若干階梯下降至零值，即在參與測距的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)利用信號在介質(zhì)中的傳播時(shí)間和信號在節(jié)點(diǎn)中的處理時(shí)間并通過發(fā)送測距消息和測距消息的確認(rèn)來測量節(jié)點(diǎn)之間的距離，這就避免了對測距節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘同步性的要求。此外，為了降低節(jié)點(diǎn)之間時(shí)鐘漂移對測距準(zhǔn)確性的影響，需要對兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙邊測距，再把兩次測量所得的距離進(jìn)行平均。雖然利用SDS-TWR方式進(jìn)行測距增加了節(jié)點(diǎn)之間的通信次數(shù)，但是它降低了對硬件的要求，同時(shí)不要求節(jié)點(diǎn)之間時(shí)鐘的同步性，具有很大的實(shí)用性。
2步距細(xì)分的系統(tǒng)構(gòu)成
當(dāng)步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)的數(shù)字線為高電平(表示接通)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)便開始步進(jìn)，延長一段時(shí)間達(dá)到指定的位置后，步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)的數(shù)字線變?yōu)榈碗娖?表示斷開)，所以步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動信號是一個(gè)脈沖信號。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與各相脈沖的接通順序有關(guān)。以單相只拍方式為例，當(dāng)單相繞組按照A-B-C-A順序施加電流脈沖時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，按照A-C-B-A順序施加電流脈沖時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。
在大多數(shù)應(yīng)用場景中，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息對于傳感器網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn)來講是至關(guān)重要的，只有確定了節(jié)點(diǎn)的位置信息之后才能明確在何時(shí)何地發(fā)生了何種事件。一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由成千上百個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，其中每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)具有一定的通信范圍，這個(gè)范圍稱為通信半徑。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信半徑范圍之內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)稱為該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)，鄰居節(jié)點(diǎn)之間可以通過某種方式進(jìn)行相互測距，測出來的距離存在一定的誤差。為了能夠確定整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的具體位置信息，如坐標(biāo)或者經(jīng)緯度等，在理論上通常需要預(yù)先知道幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置信息。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中把這種位置信息已知的節(jié)點(diǎn)稱為錨節(jié)點(diǎn)或者信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)的位置信息可以通過預(yù)先設(shè)定或GPS來獲取。在二維空間中至少需要三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)才能確定網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的位置信息，而在三維空間中則至少需要四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)才能確定網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的位置信息。
實(shí)踐表明，如果使用FPGA進(jìn)行數(shù)字控制，將為步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動帶來很大的便利。目前，最常用的開關(guān)型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路有斬波式和脈寬調(diào)制(PWM)式兩種。脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動電路的關(guān)鍵是脈寬調(diào)制，它的作用是將給定的電壓信號調(diào)制成接近連續(xù)的信號，角速度的波動也隨著細(xì)分?jǐn)?shù)的增大而減小。一般角速度波動與步距角成正比，與細(xì)分?jǐn)?shù)成反比。調(diào)制成具連續(xù)運(yùn)行域，角速度的波動也隨著細(xì)分?jǐn)?shù)的增大而減小，一般角速度波動與步距角成正比，也即與細(xì)分?jǐn)?shù)成反比。在線性電流的驅(qū)動下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的微步進(jìn)是不均勻的，呈現(xiàn)出明顯的周期性波動.磁場的邊界條件按齒槽情況呈周期性重復(fù)是導(dǎo)致微步距角周期性變化的根本原因。同時(shí)，不可避免的摩擦負(fù)載(摩擦力矩是不恒定的，或者說在一定范圍內(nèi)也是不確定的)以及其他負(fù)載力矩的波動導(dǎo)致失調(diào)角出現(xiàn)不規(guī)則的小變動或小跳躍，也使微步距角曲線在周期性波動上出現(xiàn)不光滑的小鋸齒形。
到達(dá)時(shí)間（TOA）也叫做飛行時(shí)間（TOF，Time Of Flight），是指信號從位置已知的發(fā)射機(jī)發(fā)出到（未完，下一頁）
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