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,即給電機加一個脈沖信號,電機則轉(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。
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,定字上有多相勵磁繞組,利用磁導的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
目前步進電機已廣泛運用在需高定位精度、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。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。
1、 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。電機轉(zhuǎn)子的每步運動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,電流分成多少個臺階,轉(zhuǎn)子就以同樣的個數(shù)轉(zhuǎn)過一個步距角,這樣將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:
在不改變電機結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下,能使步距角減??;
能使步進電機運行平穩(wěn),提高勻速性,并能減弱或消除振蕩。
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,如圖1所示。
本文采用新電元公司的步進電機驅(qū)動芯片MTD2009J實現(xiàn)上述細分控制系統(tǒng)。
2 、MTD2009J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元件,就能構(gòu)成定電流驅(qū)動電路,并且該芯片還具有微步驅(qū)動功能,通過切換電流衰減速度可以實現(xiàn)低振動、低噪聲的電機驅(qū)動。
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。
2.2 MTD2009J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變化的波形圖。
通過MTD2009J可對步進電機實現(xiàn)非常理想的控制效果,尤其MTD2009J可以實現(xiàn)同時對兩個兩相步進電機的控制,使它在監(jiān)控產(chǎn)品以及對速度和位置控制需要精確操作的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
3、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(簡稱快球)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;同時也便于安裝和維護,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)指標是轉(zhuǎn)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,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(shè)置預置點時的水平、垂直及鏡頭的位置在調(diào)用預置點時必須準確地定位。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,多級變速,360度無限位旋轉(zhuǎn),180度自動翻轉(zhuǎn),每周細化為三百萬步,運轉(zhuǎn)平穩(wěn),抖動小,速度范圍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,此快球采用了當今處于領(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,它可將參考電壓分為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,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,先將頻率逐漸降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)象很明顯以致嚴重地影響到細分步進轉(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,這樣可以極大地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為變速運行流程圖。
系統(tǒng)水平方向細分驅(qū)動運行函數(shù)如下:
本系統(tǒng)在智能化一體化球型攝像機中取得了非常理想的效果。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(diào)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。
4、結(jié)語
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。
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