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(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，電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過一個步距角，這一線性關(guān)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(lǐng)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(yīng)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(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

目前，步進電機已廣泛應(yīng)用于在需高定位精度、高分解性能以及高響應(yīng)、高可靠性及可靈活控制的機械系統(tǒng)中，從生產(chǎn)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(chǎn)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(qū)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(qū)動原理

步進電機細分驅(qū)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(yīng)繞組中額定的部分，電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子接會以同樣的個數(shù)轉(zhuǎn)過一個步距角，而將1個步距角細分成若干步的驅(qū)動方法稱為“細分驅(qū)動”，細分驅(qū)動的特點是可以在不改變電機結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，使步距角減?。煌瑫r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(shè)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(qū)動芯片mtd2009j來實現(xiàn)上述細分控制系統(tǒng)。

mtd2009j步進電機驅(qū)動芯片

◇ mtd2009j的主要特點

mtd2009j是日本新電元工業(yè)公司生產(chǎn)的一種雙極性、定電流兩相步進電機驅(qū)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(gòu)成定電流驅(qū)動電路，此外，該芯片還具有微步驅(qū)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(qū)動，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(qū)動兩個兩相步進電機。

◇ mtd2009j的細分方法及驅(qū)動波形

使用mtd2009j驅(qū)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(chǎn)品以及對速度和位置控制需要精確操作的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

在智能一體化球型攝像機中的應(yīng)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(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(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(zhǔn)確性，再者，智能化一體化球型攝像機有預(yù)置點的功能，即設(shè)置預(yù)置點時，水平、重新及鏡頭的位置在調(diào)用預(yù)置點時必須準(zhǔn)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(zhuǎn)，180度自動翻轉(zhuǎn)，每周可細化為三百萬步，而且運轉(zhuǎn)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(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電機的驅(qū)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(zhuǎn)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(zhǔn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)角的非線性和均勻旋轉(zhuǎn)的控制，另外由于步進電機的矩頻特性不理想，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，步進電機在脈沖轉(zhuǎn)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(yīng)于一個電流值，當(dāng)細分數(shù)相當(dāng)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(yīng)的電流值以表格的形式存儲，運行時直接調(diào)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(dāng)前速度和目標(biāo)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(dāng)系統(tǒng)收到變速指令時，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行，當(dāng)接近目標(biāo)速度時，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(qū)動運行函數(shù)如下：

void normal_x（void）{

uint6 temp；

if（！dp_flag_x）{//當(dāng)前是停止?fàn)顟B(tài)

dq_flag_x=mb_flag_x；//開始新的方向

dq_v_x=1；//加速過程

}

else{ //當(dāng)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(dāng)前速度>目標(biāo)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(dāng)前速度>目標(biāo)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(dāng)前速度

}

}

}

}

else{

dq_flag_x=0；//設(shè)置停止?fàn)顟B(tài)

shuipinscan_bz=0；

if（dq_flag_x==mb_flag_x）{

s_msg，x&=-0x80；//清除水平向有效標(biāo)志

}

}

}

}

結(jié)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(dāng)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(yù)置點的調(diào)用也相當(dāng)快速、準(zhǔn)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。