混合式直线步进电机细分驱动电路的实现

l 引 言 直线步进电动机是一种直线增量运动的电磁执行元件，是一种将输入脉冲转换成步进直线运动的机电装置。它具有在开环条件下，能直接提供精确可靠的直线位移、速度和加速度控制，且能静态和动态定位，目前已在数控机械、计算机外设等精密驱动、精密控制领域得到广泛的应用。 直线步进电机的定位精度是一个十分重面的性能参数。直线步进电机可以用一般的脉冲信号来控制和驱动，但采用一般的脉冲信号，定位分辨率比较低，因此直线步进电动机主要采用细分电路提高定位分辨率。 2直线步进电机的控制系统 所设计的样机是二相混合式直线步进电动机，在绕组A和B分别通过正弦、余弦电流，步进电动机即能正常运行。整个控制系统可分成调频电路、细分电路、驱动电路、键盘显示电路、存储器扩展电路等部分，如图1所示。 根据混合式直线步进电机的控制特点，要求细分电路满足如下要求。 a．由单片机形成频率可调、幅值可调的正弦和余弦信号。 b．频率范围为0．6～300Hz。 c．在细分度允许的条件下，提高定位精度。 3细分电路的硬件设计 所介绍的细分电路是利用单片机I／D口每隔一定时间输出不同的数字量，该数字量分别为相应时刻的正弦函数值和余弦函数值，经D／A转换就得到正弦和余弦信号，由若干个数字量逼近的正、余弦信号，它的精确度取决于正、余弦信号的细分度和D／A转换器的分辨率。所选择的细分度为100，D／A转换器的分辨率为10位，硬件图如图2所示。 图中仅画出一相输出，另一相输出硬件图基本相同，由于10位D／A转换器AD7520不带锁存器，故8031采用二次操作输出10位数据，先将高2位数据输到74LS74(1)，接着把低8位数据输出到74LS377，同时把74ILs74(1)的内容传送到74Ls74(2)，从而实现8031输出10位数据同时达到AD7520的数据输入线，通过改变AD7520的参考电压VREF，可改变正、余弦信号的幅值。 为了能改变直线步进电机的速度，必须输出的正弦、余弦信号是一种频率可调的信号，采用ADC0809将模拟量转换成数字量，并作8031定时器O的时间常数。设8031定时器0采用工作方式0，则时间常数为13位，低5位固定，高8位采用ADC0809转换的数字量，通过改变AI)C0809的输入模拟量，改变ADC0809输出的数字量，从而改变了定时时间常数，达到改变正弦、余弦信号频率的目的。 4细分电路的软件设计 为了节省CPU时间，对正弦、余弦信号的数字量，不是采用即时计算的方法确定，而 是预先经过计算，形成一个正弦函数表，存放在单片机的存储器中，通过查表形成正弦波，余弦波的形成只是在查表时相差90^o。 一般，对于正弦、余弦信号的逼近，细分度和D／A转换器分辨率越高，定位精度就越高。但细分度越高，要求单片机速度越快，且D／A转换器的分辨率也受到价格和单片机速度的影响，根据样机的控制特点，选择细分度为100，D／A转换器分辨率为10位。 按细分度N=100，将正弦波一个周期分为100等份，则计算某一函数值的公式为： 式中 D——某一正弦函数值 N——细分度 n——取0～100 将此值转换为16进制数，加上偏移码，即得某一正弦函数的数字量，对于双极性的10位D／A转换器，偏移码为0200H，即此值AD7520双极性输出为零伏。正弦、余弦信号子程序框图如图3所示。 5结论 a．实验结果表明，采用查表形式，单片机能产生频率可调、幅值可调的正、余弦信号，方便地实现细分驱动及直线步进电机的速度控制。 b．由于采用较高分辨率的细分电路，使直线步进电动机定位精度得到提高，样机的定位精度达O．04mm。