基于MTD2009J的步進電機細分控制系統(tǒng)

引言

步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速和停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，也就是說，給電機加一個脈沖信號，電機就轉過一個步距角，這一線性關系的存在，以及步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度和位置等控制領域用步進電機來控制變得非常簡單。

比較常用的步進電機包括反應式步進電機、永磁式步進電機、混合式步進電機和單相式步進電機等，其中反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。

目前，步進電機已廣泛應用于在需高定位精度、高分解性能以及高響應、高可靠性及可靈活控制的機械系統(tǒng)中，從生產過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡，尤其在重視速度和位置控制，需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合中，步進電機用得最多，但其步距角較大，一般為1.5°-3°，并會產生較大的跳動。尤其在低低速情況下，系統(tǒng)的平穩(wěn)型較差，往往滿足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求，實現(xiàn)細分驅動是減小步距角，提高步進分辨率，增強電機運行平穩(wěn)性的一種行之有效的方法。

步進電機細分驅動原理

步進電機細分驅動的工作原理是：在每次輸入脈沖時，不是將繞組電流前部通入或切除，而且只改變相應繞組中額定的部分，電機轉子每步運動也只有步距角的一部分，這里的繞組電流不是方波、而是階梯波，電流分成多少個臺階，轉子接會以同樣的個數(shù)轉過一個步距角，而將1個步距角細分成若干步的驅動方法稱為“細分驅動”，細分驅動的特點是可以在不改變電機結構參數(shù)的情況下，使步距角減??；同時能使步進電機運行平穩(wěn)，提高勻速性，此外，還能減弱或消除振蕩，由此可見，要實現(xiàn)細分，就需要將輸入步進電機繞組的矩形電流波改變成階梯性細分電流波，即設法使輸入電機繞組的電流以若干個等幅、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，圖1所示是其細分電流波形。

本文采用新電元公司的步進電機驅動芯片mtd2009j來實現(xiàn)上述細分控制系統(tǒng)。

mtd2009j步進電機驅動芯片

◇ mtd2009j的主要特點

mtd2009j是日本新電元工業(yè)公司生產的一種雙極性、定電流兩相步進電機驅動ic，由于它把功放電路和控制電路都集成到一個芯片上，因此只需少許的外圍電源，就能構成定電流驅動電路，此外，該芯片還具有微步驅動功能，可通過切換電流衰減速度來實現(xiàn)低振動、低噪聲的電機驅動，mtd2009j具有如下特性：

◆ic內部有雙h橋；

◆ic內部有續(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；

◆內部電路具有噪聲消除功能，無須外加濾波器；

◆具有電流衰減速度切換功能；

◆具有換向時防止上下橋臂直通功能；

◆可同時驅動兩個兩相步進電機。

◇ mtd2009j的細分方法及驅動波形

使用mtd2009j驅動兩相步進電機可以明顯地減少步進電機的振動和噪聲，mtd2009j對每個相位都有一個獨立的參考電壓端，步進電機細分的控制是通過參考電壓端電壓的變化來實現(xiàn)的。圖2為mtd2009j的相位變化，相位使能控制以及步進電機電流與參考電壓之間的變化波形圖。

通過mtd2009j可對步進電機進行非常理想的控制，尤其是mtd2009j可以同時對兩個兩相步進電機進行控制，因而在監(jiān)控產品以及對速度和位置控制需要精確操作的領域得到廣泛應用。

在智能一體化球型攝像機中的應用

智能一體化球型攝像機（簡稱快速）是集高清晰度彩色攝像機、萬向變速云臺、解碼器、變焦鏡頭和防護罩等部件及功能于一體的監(jiān)控產品，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，同時又便于安裝和維護，具有外形美觀，輕巧靈便，操作簡單等優(yōu)點。

智能一體化球型攝像機的一項重要技術指標是轉速指標，它首先要求要有較寬的速度范圍，其次，要求在恒速時要有較好的平穩(wěn)性，尤其是在低速時，其變速時要有較好的過渡性和較高的準確性，再者，智能化一體化球型攝像機有預置點的功能，即設置預置點時，水平、重新及鏡頭的位置在調用預置點時必須準確的定位，此智能化一體化球型攝像機的水平速度為0.05-250°/s，垂直速度為0.05-200°/s，它可以多極變速，360度無限位旋轉，180度自動翻轉，每周可細化為三百萬步，而且運轉平穩(wěn)，抖動小，速度范圍可智能匹配攝像機焦距，人性化操作，手感優(yōu)異。

對于以上技術指標，此快球采用了當今處于領先地位的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電機的驅動芯片，步進電機采用了兩相混合式步進電機，步距角為0.9°，采用ti公司的tlc5620數(shù)/模轉換芯片作為mtd2009j每相參考電壓的輸入，它可將電壓分為0-255份，為了提高快球的平穩(wěn)性和準確性，對每一步進行了4096的細分，使此快球達到了極其優(yōu)越的控制特性，其參考電路如圖3所示。

由于步進電機按運行頻率工作時，啟動和停止各需要一個緩慢升頻和降頻的過程，因此啟動時，可在啟動頻率之下啟動步進電機，然后逐漸上升到運行頻率；停止時，先將頻率逐漸減低到啟動頻率以下才能停止，特別是負載轉動慣性較大時，該現(xiàn)象很明顯以至嚴重的影響到細分步進轉角的非線性和均勻旋轉的控制，另外由于步進電機的矩頻特性不理想，電磁轉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，步進電機在脈沖轉換時很容易引起失步，使得步進電機的動態(tài)性能變差，因此所控制的機械部件運動精度很低，為了克服以上缺點，本系統(tǒng)采用每個細分點對應于一個電流值，當細分數(shù)相當大時（例如本系統(tǒng)分成4096個點）電機繞組的電流信號就逼近模擬連續(xù)信號，這樣可以極大的提高步進電機的分辨率和運行穩(wěn)定性，為了縮短系統(tǒng)的運行時間，采用查表方式，即將每個細分點對應的電流值以表格的形式存儲，運行時直接調用表格中的數(shù)據(jù)，從而提高了運行速度。

在運行控制方法采用了兩級速度比較運行的方法，系統(tǒng)中存在兩級速度，當前速度和目標速度，因為此系統(tǒng)是變速系統(tǒng)，在速度改變時要求系統(tǒng)必須平穩(wěn)地過渡，此方法是：當系統(tǒng)收到變速指令時，首先將目標速度與當前速度相比較，并確定兩速度之間的范圍，以確定加速度的大小，若目標速度高于當前速度，則系統(tǒng)以較大的加速度加速運行，當接近目標速度時，系統(tǒng)減小加速度的值，逐漸靠近目標速度，直至相等，并以目標速度運行，直到再次收到變速指令，圖4所示為其變速運行流程圖。

系統(tǒng)水平方向細分驅動運行函數(shù)如下：

void normal_x（void）{

uint6 temp；

if（！dp_flag_x）{//當前是停止狀態(tài)

dq_flag_x=mb_flag_x；//開始新的方向

dq_v_x=1；//加速過程

}

else{ //當前是運行狀態(tài)

if（dq_v_x）{

if（dq_flag_x！=mb_flag_x）//方向不同

iemp=0；

gotox；

}

else{

if（dq_v_x>mb_v_x）{//當前速度>目標速度

temp=mb_v_x；

x： if（（dq_v_x-temp）
dq_v_x= temp；//減速逼近過程

}//在方向不同或者當前速度>目標速度時都要減速逼近

else{

dq_v_x-=jsd_x；//減速過程

}

}

else{

if（dq_v_x
if（（mb_v_x-dq_v_x）
dq_v_x=mb_v_x；//加速逼近過程

}

else{

dq_v_x+=jsd_x；//加速過程

}

}

else{ //保持當前速度

}

}

}

}

else{

dq_flag_x=0；//設置停止狀態(tài)

shuipinscan_bz=0；

if（dq_flag_x==mb_flag_x）{

s_msg，x&=-0x80；//清除水平向有效標志

}

}

}

}

結束語

本文所介紹的步進電機細分控制系統(tǒng)在智能一體化球型攝像機中能取得非常理想的效果，當攝像機鏡頭以220x變倍時，攝像機位置發(fā)生改變，圖像沒有任何抖動，預置點的調用也相當快速、準確，在整個安防行業(yè)獲得了非常好的評價，并遠銷海外，取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。此外，本系統(tǒng)能滿足大多數(shù)中小微型步進電機的可變細分控制，較高細分步距角精度及平滑運行等要求，具有體積小，細分精度高、運行功耗低、可靠性高以及可維護性強等特點，系統(tǒng)軟件功能豐富，通用性強，從而使控制系統(tǒng)更加靈活。