基于MTD2009J的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng)

引言

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，以及步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度和位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變得非常簡(jiǎn)單。

較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。其中反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定字上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

目前步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需高定位精度、高分解能以及高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中，從生產(chǎn)過(guò)程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡；尤其在重視速度和位置控制，需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場(chǎng)合中，步進(jìn)電機(jī)用的最多。但其步矩角較大，一般為1.5°－3°，并產(chǎn)生較大的跳動(dòng)。尤其在低速情況下，系統(tǒng)的平穩(wěn)性較差，往往滿足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求，實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)是減小步距角，提高步進(jìn)分辨率，增強(qiáng)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性的一種行之有效的方法。

1 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的工作原理是：在每次輸入脈沖時(shí)，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中額定的部分。電機(jī)轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)動(dòng)也只有步距角的一部分，這里繞組電流不是方波，而是階梯波，電流分成多少個(gè)臺(tái)階，轉(zhuǎn)子就以同樣的個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，這樣將1個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)方法稱為"細(xì)分驅(qū)動(dòng)"。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是：

在不改變電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減??；
能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。
可見，要實(shí)現(xiàn)細(xì)分，就需要將輸入步進(jìn)電機(jī)繞組的矩形電流波改變成階梯性細(xì)分電流波，即設(shè)法使輸入電機(jī)繞組的電流以若干個(gè)等幅、等寬度階梯上升到額定值，并以同樣的階梯從額定值下降為零，如圖1所示。

本文采用新電元公司的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片mtd2009j實(shí)現(xiàn)上述細(xì)分控制系統(tǒng)。

2 mtd2009j特點(diǎn)

mtd2009j是日本新電元工業(yè)公司生產(chǎn)的一種雙極性、定電流兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)ic。由于它把功放電路和控制電路都集成到一個(gè)芯片上，因此只需少許的外圍元件，就能構(gòu)成定電流驅(qū)動(dòng)電路，并且該芯片還具有微步驅(qū)動(dòng)功能，通過(guò)切換電流衰減速度可以實(shí)現(xiàn)低振動(dòng)、低噪聲的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.1 特性

mtd2009j具有如下特性：
ic內(nèi)部有雙h橋；
ic內(nèi)部有續(xù)流、回饋二極管；
與ttl、cmos電平兼容，可直接接至cpu和門陣列等；
pwm定電流斬波功能；
內(nèi)部電路具有噪聲消除功能，無(wú)須外加濾波器；
具有電流衰減速度切換功能；
具有換向時(shí)防止上下橋臂直通功能；
可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。

2.2 mtd2009j細(xì)分方法及驅(qū)動(dòng)波形

使用mtd2009j驅(qū)動(dòng)兩相步進(jìn)電機(jī)可以明顯地減少步進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，mtd2009j對(duì)每個(gè)相位都有一個(gè)獨(dú)立的參考電壓端。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分的控制是通過(guò)參考電壓端電壓的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖2為mtd2009j的相位變化、相位使能控制以及步進(jìn)電機(jī)電流與參考電壓之間變化的波形圖。

通過(guò)mtd2009j可對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)非常理想的控制效果，尤其mtd2009j可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)兩個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)的控制，使它在監(jiān)控產(chǎn)品以及對(duì)速度和位置控制需要精確操作的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

3 在智能一體化球型攝像機(jī)中的應(yīng)用

智能一體化球型攝像機(jī)（簡(jiǎn)稱快球）是集高清晰度彩色攝像機(jī)、萬(wàn)向變速云臺(tái)、解碼器、變焦鏡頭和防護(hù)罩等部件及功能于一體的監(jiān)控產(chǎn)品，它最大限度地減少了系統(tǒng)部件的連接，提高了系統(tǒng)的可靠性；同時(shí)也便于安裝和維護(hù)，具有外形美觀，輕巧靈便，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

智能一體化球型攝像機(jī)的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)是轉(zhuǎn)速指標(biāo)，它首先要求要有較寬的速度范圍；其次，要求在恒速時(shí)要有較好的平穩(wěn)性，尤其是在低速時(shí)，變速時(shí)要有較好的過(guò)渡性和較高的準(zhǔn)確性；再者智能化一體化球型攝像機(jī)有預(yù)置點(diǎn)的功能，即設(shè)置預(yù)置點(diǎn)時(shí)的水平、垂直及鏡頭的位置在調(diào)用預(yù)置點(diǎn)時(shí)必須準(zhǔn)確地定位。此智能化一體化球型攝像機(jī)的水平速度為0.05－250（°）/s，垂直速度為0.05－200（°）/s，多級(jí)變速，360度無(wú)限位旋轉(zhuǎn)，180度自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，每周細(xì)化為三百萬(wàn)步，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，抖動(dòng)小，速度范圍智能匹配攝像機(jī)焦距，人性化操作，手感優(yōu)異。

對(duì)于以上技術(shù)指標(biāo)，此快球采用了當(dāng)今處于領(lǐng)先地位的philips公司的32位arm lpc21388作為中央處理器，mtd2009j作為水平和垂直步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，步進(jìn)電機(jī)采用了兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為0.9°，采用ti公司的tlc5620數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片作為mtd2009j每相參考電壓的輸入，它可將參考電壓分為0－255份，為了提高快球的平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性，對(duì)每一步進(jìn)行了4096的細(xì)分，使此快球達(dá)到了極其優(yōu)越的控制特性，參考電路如圖3所示。

由于步進(jìn)電機(jī)按運(yùn)行頻率工作時(shí)，啟動(dòng)和停止各需要一個(gè)緩慢升頻和降頻的過(guò)程，因此啟動(dòng)時(shí)，可在啟動(dòng)頻率之下啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，然后逐漸上升到運(yùn)行頻率；停止時(shí)，先將頻率逐漸降低到啟動(dòng)頻率以下才能停止，特別是負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣性較大時(shí)，該現(xiàn)象很明顯以致嚴(yán)重地影響到細(xì)分步進(jìn)轉(zhuǎn)角的非線性和均勻旋轉(zhuǎn)的控制。另外由于步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性不理想，電磁轉(zhuǎn)矩隨輸入控制脈沖頻率的升高而減小，在速度較高或加速度較大時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在脈沖轉(zhuǎn)換時(shí)很容易引起失步，使得步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能變差，因此所控制的機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)精度很低。為了克服以上缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用每個(gè)細(xì)分點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一個(gè)電流值。當(dāng)細(xì)分?jǐn)?shù)相當(dāng)大時(shí)（例如本系統(tǒng)分成4096個(gè)點(diǎn)）電機(jī)繞組的電流信號(hào)就逼近模擬連續(xù)信號(hào)，這樣可以極大地提高步進(jìn)電機(jī)的分辨率和運(yùn)行穩(wěn)定性，為了縮短系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，采用查表方式，即將每個(gè)細(xì)分點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值以表格的形式存儲(chǔ)，運(yùn)行時(shí)直接調(diào)用表格中的數(shù)據(jù)，從而提高了運(yùn)行速度。

在運(yùn)行控制方法采用了兩級(jí)速度比較運(yùn)行的方法。系統(tǒng)中存在兩級(jí)速度：當(dāng)前速度和目標(biāo)速度。因?yàn)榇讼到y(tǒng)是變速系統(tǒng)，在速度改變時(shí)要求系統(tǒng)必須平穩(wěn)地過(guò)渡，此方法是：當(dāng)系統(tǒng)收到變速指令時(shí)，首先將目標(biāo)速度與當(dāng)前速度相比較，并確定兩速度之間的范圍，以確定加速度的大小，若目標(biāo)速度高于當(dāng)前速度，則系統(tǒng)以較大的加速度加速運(yùn)行，當(dāng)接近目標(biāo)速度時(shí)，系統(tǒng)減小加速度的值。逐漸靠近目標(biāo)速度，直至相等，并以目標(biāo)速度運(yùn)行，直到再次收到變速指令。
圖4為變速運(yùn)行流程圖。

系統(tǒng)水平方向細(xì)分驅(qū)動(dòng)運(yùn)行函數(shù)如下：




本系統(tǒng)在智能化一體化球型攝像機(jī)中取得了非常理想的效果。當(dāng)攝像機(jī)鏡頭以220x變倍時(shí)，攝像機(jī)位置發(fā)生改變，圖像沒(méi)有任何抖動(dòng)，預(yù)置點(diǎn)的調(diào)用也相當(dāng)快速、準(zhǔn)確，在整個(gè)安防行業(yè)獲得了非常好的評(píng)價(jià)，并遠(yuǎn)銷海外，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)能滿足大多數(shù)中小微型步進(jìn)電機(jī)的可變細(xì)分控制、較高細(xì)分步距角精度及平滑運(yùn)行等要求，具有體積小、細(xì)分精度高、運(yùn)行功耗低、可靠性高以及可維護(hù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

系統(tǒng)軟件功能豐富，通用性強(qiáng)，從而使控制系統(tǒng)更加靈活。