步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的一種裝置。它產(chǎn)生的位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，平均轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率成正比，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的特點。由于步進(jìn)電機(jī)沒有積累誤差，容易實現(xiàn)較高精度的位移和速度控制，被廣泛用于精確控制領(lǐng)域。由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)簡單并且價格低廉，但有時存在振蕩和失步現(xiàn)象，故在復(fù)雜電磁環(huán)境下或是對精度要求較高的場合下，必須加入反饋電路組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。本文采用旋轉(zhuǎn)編碼器作為反饋器件對步進(jìn)電機(jī)實行閉環(huán)控制。
1、THB6064H簡介
THB6064H是在東芝公司2009年主推的TB6560AHQ的基礎(chǔ)上開發(fā)的一款PWM斬波型兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片配合簡單的外圍電路即可設(shè)計出高性能、多細(xì)分、大電流的驅(qū)動電路，在低成本、低振動、低噪聲、高速度的設(shè)計中應(yīng)用效果較佳。其主要參數(shù)和性能指標(biāo)有：雙全橋 MOSFET 驅(qū)動，低導(dǎo)通電阻 Ron=0.4 Ω（上橋+下橋），高耐壓 50 V DC，大電流 4.5 A（峰值）;多種細(xì)分可選（1/2、1/8、1/10、1/16、1/20、1/32、1/40、1/64），自動半流鎖定功能，衰減方式連續(xù)可調(diào);內(nèi)置高溫保護(hù)及過流保護(hù)，當(dāng)溫度高于170 ℃時自動斷開所有輸出;封裝形式為HZIP25P1.27封裝。
2、控制原理
本文的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制方法采用核步法。核步法的控制思想是從簡化控制系統(tǒng)出發(fā)，利用核步計數(shù)器對系統(tǒng)位置進(jìn)行跟蹤監(jiān)視，即時發(fā)出反饋控制信號，從而完成對位置的控制。其基本原理如圖1所示。單片機(jī)接收來自上位機(jī)的時序脈沖信號和方向信號，經(jīng)驅(qū)動放大后送往步進(jìn)電機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)工作;步進(jìn)電機(jī)帶動編碼器同軸旋轉(zhuǎn)，由編碼器檢測轉(zhuǎn)角度，并以脈沖的形式反饋到單片機(jī)進(jìn)行核步計數(shù);單片機(jī)根據(jù)脈沖反饋當(dāng)量值與給定值進(jìn)行比較，按照核步算法發(fā)出控制指令。如果發(fā)生丟步，單片機(jī)就會根據(jù)差值繼續(xù)發(fā)送脈沖，把丟掉的步數(shù)補(bǔ)上，從而完成步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動位置的閉環(huán)控制。
圖1閉環(huán)控制原理示意圖
3、硬件設(shè)計
3.1驅(qū)動部分電路
驅(qū)動電路以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片THB6064H為核心，配合簡單的外圍電路實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。驅(qū)動電路如圖2所示。
驅(qū)動電源的電壓最高不能超過50 V，要大于芯片邏輯電壓。提高驅(qū)動電壓可使電機(jī)在高頻范圍轉(zhuǎn)矩增大，電壓大小要根據(jù)使用情況來選擇。VMA、VMB端口是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源引腳，設(shè)計時應(yīng)接入瓷片去耦電容和電解電容用來穩(wěn)壓。OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B 端口分別為步進(jìn)電機(jī)的2相輸出接口，由于此芯片內(nèi)集成了續(xù)流二極管，不用像以前的一些驅(qū)動芯片那樣在輸出口外接二極管，因此就可以使電路板的布線空間縮小，從而減小控制器的體積。NFA、NFB端口分別為步進(jìn)電機(jī)A、B兩相的相電流檢測端，應(yīng)連接大功率檢測電阻，典型值為025 Ω/2 W。VREF為電流設(shè)定端，調(diào)整此端電壓就可以設(shè)定驅(qū)動電流的大小。PGNDA、PGNDB、SGND分別為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的引腳地和邏輯電源地。芯片的邏輯電源為5 V，VDD端口為邏輯電源引腳，設(shè)計時也要接入電容來減小干擾噪聲;alert為過流保護(hù)輸出端;RESET為芯片復(fù)位腳，低電平有效;OSC1A、OSC1B端口所接電容的大小決定了斬波器頻率，推薦接入100～1 000 pF的電容，此時的斬波頻率為400～44 kHz;M1、M2、M3端口分別為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的細(xì)分設(shè)置引腳，用外接撥碼開關(guān)可設(shè)定不同的細(xì)分值，例如整步、1/2步、1/4步、1/8步等，最高可達(dá)64細(xì)分。由于步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時，可能會伴有較大的振動和較大的噪聲，這些就需要通過細(xì)分驅(qū)動來解決。驅(qū)動輸出的電流調(diào)節(jié)和衰減方式調(diào)節(jié)都可通過外接撥碼開關(guān)來實現(xiàn)，電路簡單，方便可靠。
3.2反饋控制電路
電路的反饋環(huán)節(jié)選用增量型旋轉(zhuǎn)編碼器與步進(jìn)電機(jī)固定同軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生反饋脈沖信號，發(fā)送到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后獲得步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)信息。
3.2.1旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理
旋轉(zhuǎn)編碼器是一種集光、機(jī)、電于一體的轉(zhuǎn)速、位移傳感器，具有高頻響、分辨能力高、力矩小、耗能低、性能可靠、使用壽命長等優(yōu)點。旋轉(zhuǎn)編碼器包括碼盤（編碼盤的線數(shù)不同）、發(fā)光元件、接收元件和信號處理部分。碼盤的線數(shù)決定了其精度。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶動碼盤旋轉(zhuǎn)時，因刻線處透光，間隔處不透光，透過的光被接收元件接收并輸入到信號處理部分，產(chǎn)生脈沖信號輸出。旋轉(zhuǎn)編碼器一般分為增量式和絕對式：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖供后續(xù)電路計數(shù)和旋轉(zhuǎn)方向的判斷，能夠?qū)崿F(xiàn)多圈無限累計測量;絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器以代碼的形式輸出來表示當(dāng)前的位置，轉(zhuǎn)動方向是通過代碼的變化趨勢來確定的［4］。一般相同分辨率的編碼器，增量式的要比絕對式的便宜，實際應(yīng)用中，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器應(yīng)用更為廣泛。本文選用增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，有三根信號輸出線A相、B相、Z相。當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)動時A、B兩根線都產(chǎn)生脈沖輸出，A、B兩相脈沖相差90°相位角，由此可測出編碼器的轉(zhuǎn)動方向與電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)正轉(zhuǎn)時，A相脈沖比B相脈沖超前90°，反轉(zhuǎn)時A相比B相落后90°。A相用來測量脈沖個數(shù)，B相與A相配合就可測量出轉(zhuǎn)動方向。Z相為零脈沖線，光電編碼器在每轉(zhuǎn)一圈的固定位置產(chǎn)生一個脈沖，主要用作計數(shù)和基準(zhǔn)點定位，一般可以不用該相。
3.2.2控制電路
控制部分電路是以51單片機(jī)為控制核心，接收上位機(jī)的脈沖信號和方向信號CLK1和CW1經(jīng)過存儲處理后發(fā)送給驅(qū)動電路部分驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)工作。另外，單片機(jī)還要實時接收來自旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋脈沖信號，對編碼器的兩相反饋脈沖信號進(jìn)行處理，判斷步進(jìn)電機(jī)的位置和旋轉(zhuǎn)方向是否與給定信息相符合，如果不相符就調(diào)用相應(yīng)的算法進(jìn)行自動補(bǔ)償，最終使步進(jìn)電機(jī)達(dá)到預(yù)定的位置。由于旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率有高有低，如果選擇高分辨率的旋轉(zhuǎn)編碼器，在細(xì)分情況下，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速時，要求單片機(jī)的相應(yīng)速度要符合要求。本設(shè)計選用的單片機(jī)為宏晶科技的STC12C5201單片機(jī)，1個時鐘/機(jī)器周期，增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比普通8051快8~12倍。一般程序稍大的可選用STC12C5202或者STC12C5204。編碼器與STC12C5201的接口如圖3所示。
需要注意的是，上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送控制信號的時候要經(jīng)過光耦隔離。光耦隔離的作用有兩個：第一，防止電機(jī)干擾和損壞前級芯片;第二，對控制信號進(jìn)行整形。對于控制信號CLK和CW/CCW要選用中速或者高速的光耦，以保證信號經(jīng)過光耦后不會發(fā)生延遲或者變形而影響步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。
4、軟件設(shè)計
軟件設(shè)計中初始化設(shè)置要定義各端口的功能，電機(jī)的初始化主要是運(yùn)行前設(shè)置端口的I/O方向，確定所選擇的細(xì)分驅(qū)動方式等。之后，要實時獲得電機(jī)的工作狀態(tài)和驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并在中斷服務(wù)程序中處理電機(jī)的丟步和轉(zhuǎn)向控制�，F(xiàn)代單片機(jī)運(yùn)行速度都很快，所以對編碼器采用軟件鑒相，既簡化電路結(jié)構(gòu)，又節(jié)約成本。將編碼器的A相與單片機(jī)的外部中斷INT0相連，B相與普通I/O口的P1.0相連。由于編碼器的A相與B相在輸出上有固定的相位關(guān)系，正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)時編碼器的A、B兩相的電平信號不同，正轉(zhuǎn)時，每當(dāng)A相出現(xiàn)高電平的前四分之一周期時，B相為高電平;反轉(zhuǎn)時，每當(dāng)A相出現(xiàn)高電平的前四分之一周期時，B相為低電平。因此，單片機(jī)使用外部中斷0來處理編碼器數(shù)據(jù)，把編碼器的A相接中斷源。在中斷服務(wù)程序中，程序通過讀取B相（P1.0口）的狀態(tài)來確定編碼器的轉(zhuǎn)向，進(jìn)而完成加1或者減1的雙向計數(shù)。軟件程序流程如圖4所示。
圖4軟件程序流程
結(jié)語
本文提出了基于驅(qū)動芯片THB6064H的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制電路設(shè)計方案。硬件設(shè)計將低成本的51單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片一體化（目前基本都是分立開的），既可以實現(xiàn)所需功能，又能降低成本。該電路結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)特性好、適應(yīng)性強(qiáng)、速度快、精度高、性能穩(wěn)定。采用編碼器作為位置反饋，既能使步進(jìn)電機(jī)達(dá)到伺服電機(jī)的高速度、高精度效果，又能降低成本，在各種車床、切割機(jī)、雕刻機(jī)等數(shù)控場合有很高的實用價值。 |
