51單片機(jī)與TA8435的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制
1 步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電動機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動機(jī),它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?,即給一個脈沖,步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)一個角度,因此非常合適單片機(jī)控制,在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角,同時步進(jìn)電機(jī)只有周期性的無累積誤差,精度高。
步進(jìn)電動機(jī)有如下特點(diǎn):
1)步進(jìn)電動機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。因此,當(dāng)它轉(zhuǎn)一圈后,沒有累計誤差,具有良好的跟隨性。
2)由步進(jìn)電動機(jī)與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng),既簡單、廉價,又非常可靠,同時,它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。
3)步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)快,易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。
4)速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)整,低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)距,因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。
5)步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行,不能直接使用交流電源和直流電源。
6)步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象,必須對控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)措施。
步進(jìn)電機(jī)具有和機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn),圖1是四相六線制步進(jìn)電機(jī)原理圖,這類步進(jìn)電機(jī)既可作為四相電機(jī)使用,也可以做為兩相電機(jī)使用,使用靈活,因此應(yīng)用廣泛。
步進(jìn)電機(jī)有兩種工作方式:整步方式和半步方式。以步進(jìn)角1.8度四相混合式步進(jìn)電機(jī)為例,在整步方式下,步進(jìn)電機(jī)每接收一個脈沖,旋轉(zhuǎn)1.8 度,旋轉(zhuǎn)一周,則需要200個脈沖,在半步方式下,步進(jìn)電機(jī)每接收一個脈沖,旋轉(zhuǎn)0.9度,旋轉(zhuǎn)一周,則需要400個脈沖。控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)必須按一定時序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)引線輸入脈沖,以上述四相六線制步進(jìn)電機(jī)為例,其半步工作方式和整步工作方式的控制時序如表1和表2所列。
步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時,會有振動大、噪聲大的缺點(diǎn)。如果使用細(xì)分方式,就能很好的解決這個問題,步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制,從本質(zhì)上講是通過對步進(jìn)電機(jī)勵磁繞組中電流的控制,使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場,從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分,一般情況下,合成磁場矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小,相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小,步進(jìn)電機(jī)半步工作方式就蘊(yùn)涵了細(xì)分的工作原理。
實(shí)現(xiàn)細(xì)分方式有多種方法,最常用的是脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動方式,大多數(shù)專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片都采用這種驅(qū)動方式,TA8435就是其中一種芯片。
2 基于TA8435H芯片的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分方式
2.1 TA8435芯片特點(diǎn)
TA8435是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細(xì)分二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動專用芯片,該芯片具有以下特點(diǎn):
1)工作電壓范圍寬(10-40V);
2)輸出電流可達(dá)1.5A(平均)和2.5A(峰值);
3)具有整步、半步、1/4細(xì)分、1/8細(xì)分運(yùn)行方式可供選擇;
4)采用脈寬調(diào)試式斬波驅(qū)動方式;
5)具有正/反轉(zhuǎn)控制功能;
6)帶有復(fù)位和使能引腳;
7)可選擇使用單時鐘輸入或雙時鐘輸入。
從圖2中可以看出,TA8435主要由1個解碼器,2個橋式驅(qū)動電路、2個輸出電流控制電路、2個最大電流限制電路、1個斬波器等功能模塊組成。
2.2 TA8435細(xì)分工作原理
在圖3中,第一個CK時鐘周期時,解碼器打開橋式驅(qū)動電路,電流從VMA流經(jīng)電機(jī)的線圈后經(jīng)RNFA后與地構(gòu)成回路,由于線圈電感的作用,電流是逐漸增大的,所以RNFB上的電壓也隨之上升。當(dāng)RNFB上的電壓大于比較器正端的電壓時,比較器使橋式驅(qū)動電路關(guān)閉,電機(jī)線圈上的電流開始衰減,RNFB上的電壓也相應(yīng)減??;當(dāng)電壓值小于比較器正向電壓時,橋式驅(qū)動電路又重新導(dǎo)通,如此循環(huán),電流不斷的上升和下降形成
鋸齒波,其波形如圖3中IA波形的第1段,另外由于斬波器頻率很高,一般在幾十KHz,其頻率大小與所選用電容有關(guān),在OSC作用下,電流鋸齒波紋是非常小的,可以近似認(rèn)為輸出電流是直流。在第2個時鐘周期開始時,輸出電流控制電路輸出電壓Ua達(dá)到第2階段,比較器正向電壓也相應(yīng)為第2階段的電壓,因此,流經(jīng)步進(jìn)電機(jī)線圈的電流從第1階段也升至第二階段2,電流波形如圖IA第2部分,第3時鐘周期,第4時鐘周期 TA8435的工作原理與第1、2是一樣的,只有又升高比較器正向電壓而已,輸出電流波形如圖IA中第3、4部分。如此最終形成階梯電流,加在線圈B上的電流,如圖3中IB。在CK一個時鐘周期內(nèi),流經(jīng)線圈A和線圈B的電流共同作用下,步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一個細(xì)分步。
2.3 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用
圖4是單片機(jī)與TA8435相連控制步進(jìn)電機(jī)的原理圖,引腳M1和M2決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方式:M1=0、M2=0,電機(jī)按整步方式運(yùn)轉(zhuǎn);M1= 1、M2=0,電機(jī)按半步方式運(yùn)轉(zhuǎn);M1=0、M2=1,電機(jī)按1/4細(xì)分方式運(yùn)轉(zhuǎn);M1=1、M2=1,電機(jī)按1/8步細(xì)分方式運(yùn)轉(zhuǎn),CW/CWW控制電機(jī)轉(zhuǎn)動方向,CK1、CK2時鐘輸入的最大頻率不能超過5KHz,控制時鐘的頻率,即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)動速率。REFIN為高電平時,NFA和NFB的輸出電壓為0.8V,REFIN為低電平時,NFA和NFB輸出電壓為0.5V,這2個引腳控制步進(jìn)電機(jī)輸入電流,電流大小與NF端外接電阻關(guān)系式為:IO= Vref/Rnf。圖4中,設(shè)REFIN=1,選用步進(jìn)電機(jī)額定電流為0.4A,R1,R2選用1.6歐姆、2W的大功率電阻,O、C兩線不接。步進(jìn)電機(jī)按二相雙極性使用,四相按二相使用時可以提高步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,D1-D4快恢復(fù)二極管用來泄放繞組電流。
以下是利用TA8435控制步進(jìn)電機(jī)的程序,實(shí)現(xiàn)采用1/8細(xì)分方式控制步進(jìn)電機(jī)的順時鐘方向轉(zhuǎn)動的功能,利用定時器1向TA8435輸出脈沖,用來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。
3 結(jié)論
本文介紹了步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)和TA8435芯片工作原理,使用細(xì)分方式可以提高步進(jìn)電機(jī)的控制精度,降低步進(jìn)電機(jī)的振動和噪聲,因此,在低頻工作時,可以選用1/4細(xì)分或1/8細(xì)分模式,以降低系統(tǒng)的振動和噪聲,當(dāng)系統(tǒng)需要在高速工作時,細(xì)分模式就有可能達(dá)不到要求的速度,這時可以選用整步或半步方式,在速度較高時,在整步或半步工作模式下,步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定,振動小、噪聲也小。TA8435在細(xì)分、半步、整步幾種工作模式之間的切換是相當(dāng)容易的,使用TA8435控制步進(jìn)電機(jī)具有價格低、控制簡單、工作可靠的特點(diǎn),所以具有很高的推廣價值和廣闊的應(yīng)用前景。
評論