步进电机闭环细分驱动控制系统设计_宋鸿飞

步进电机闭环细分驱动控制系统设计
摘要：介绍了螺纹非接触光电测试系统中步进电机闭环细分控制系统的设计，并结合系统要求对抗干扰性和稳定性进行深入研究。

文中对步进电机的特性与系统的性能相互关系进行了论述，在此基础上提出了可行的系统设计方案，给出了基于TA8435专用芯片的细分驱动设计电路，对系统抗干扰性和稳定性设计提出了具体解决办法，硬件设计中采用了传感器反馈的全伺服控制方法，软件上采用升频离散化处理，很好的解决了步进电机在高速启停过程中的堵转和丢步现象，提高了系统的稳定性和精度。

关键词：闭环控制；细分驱动；升频离散化
中图分类号：TP216文献标识码：A文章编号：1672－9870（2008）02－00093－03
收稿日期：200716
基金项目：国家863计划资助项目
作者简介：宋鸿飞（1980
角，并依靠电磁力锁定转轴在一定的位置上。

因此在定位精度不高的场合下，一般的步进系统都采用开环控制。

但由于步进电机固有的低频共振，高频扭矩小引起的失步和机械结构等因素的影响，都会造成实际位移值偏离指令设定值。

因此在高定位精度的场合下，没有闭环反馈就无法知道电机是否丢步或过步，系统无法对其进行有效校正和补偿，导致不能准确定位。

在步进系统中引入检测环节并对其进行闭环控制，可从根本上解决步进系统的定位精度问题，将使其性能大大提高。

步进电机的闭环控制可采用各种不同的方法，其中包括步校验、无传感器反电动势检测和有传感器反馈的全伺服控制。

1系统构成
本电机系统设计应用精密在螺纹非接触光电测试系统中，两相步进电机通过精密滚珠螺杆把电机的轴角运动转化成直线位移运动，带动负载平台及上边安装的测试系统在螺管内部进行直线运动，实现对螺纹的实时检测。

由于螺纹检测属于精密检测，对精密位移台的定位精度、速度范围和速度稳定性提出了很高的要求，因此步进电机采用开环控制方式是达不到系统的指标要求的，针对系统的要求步进电机要采用闭环细分控制方式。

电机控制系统设计采用有传感器反馈的全伺服控制方法。

其系统组成包括四部分：（1）使用89S52单片机实现电机控制器设计；（2）电机细分驱动器采用东芝公司生产的TA8435电机驱动专业芯片实现电机细分驱动器的设计；（3）位置反馈传感器采用分辨率
1
图1步进电机闭环细分控制系统功能图
Fig.1Diagram for close-loop subdivision control system func-
tion of stepper motor
2细分驱动器设计
结合螺纹检测系统对位移平台定位精度和速度范围的要求，步进电机步距角不能满足使用条件，在设计中采用细分驱动的方法，细分驱动电路是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制，来调整步进惦记步距角的大小，把原来的一个整步步距角细分成若干步来完成，从而实现步进电机的高精度定位，提高了步进电机的分辨率。

实现细分驱动的方法有很多种，设计中使用了东芝公司生产的单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片TA8435，芯片采用的是脉宽调制式斩波驱动，该芯片有电路连接简单，工作稳定，特点如下：
（1）工作电压范围宽（10
、B+、B
图2细分驱动电路原理图
Fig.2Circuit schematic diagram of subdivision driving
在系统中使用的位移平台螺杆导程L为4mm （即电机轴转动一周负载平台的直线位移量），细分数为为0.9°
，分数为
而转台的移动速度和脉冲频率、细分选择、电机本身的固有频率有关。

在设计中由89S52的内部
定时器
表1特性数据
Tab.1Character data
位移分辨率
（
４
ｍ光栅尺，把定光栅安装在平台基座的一侧，动光栅和运动的负载平台固定在一起，形成具有检测回路的精密位移平台。

当步进电机转动时，通过螺杆带动平台和负载直线运动，这个过程中定光栅与动光栅相对运动，产生莫尔条纹，使转换电路输出脉冲信号，直接提供给89S52计数器端口，89S52把当前计数值与由键盘或PC机通过串口传来的数据进行比对，监测实际位移值与设定值是否一致，从而实现了位移闭环控制，保证了定位精度的准确性。

与此同时，在软件设计上，使用高优先级定时中断，根据设定速度参数不同，选取不同的时间间隔求平均速度，与设定速度值比较，求出偏差，实时校正运行速度，使平台运行速度稳定，提高螺纹检测系统的检测精度。

4抗干扰性和稳定性研究
在工程应用中，系统的稳定性是最为重要的。

在本系统设计中只有了解步进电机的使用方法，才能采取合理的抗干扰性措施，使步进电机控制系统可靠的工作。

系统中采用了以下抗干扰措施。

由于步进电机的具有电磁特性，对单片机控制电路有电磁干扰，因此在电路设计上采用了光电隔离技术，即在89S52输出的电机控制信号与TA8435电机驱动模块的控制信号输入端之间加入光电耦合期间TLP521_2，实现信号的电电调制，原理图如图3所示。

其中在接受和发送两端要做到电气上完全隔离。

图3光电隔离原理图
Fig.3The Schematic of optoelectronic isolate
电源是干扰步进电机控制系统的途径之一，电源干扰主要是通过供电线路的阻抗耦合产生的，各种大功率用电、发电设备是主要的干扰源。

基于系统对可靠性的要求较高，在电源输入端加上低通滤波器，吸收掉电源中的大部分"毛刺"。

走线上驱动器的I/O线与大功率线分开走线，防止干扰控制线。

软件上采用两种方法进行可靠性设计。

一是在程序设计加如软件陷阱，在程序跑飞或死机的情况下，能够自动报警并重新启动。

二是程序设计中加入了加减速离散控制算法。

由于在实际系统中，时钟脉冲信号变化太快，步进电机由于惯性将跟随不上电信号的变化，这时会出现堵转和失步现象；在停止时由于急剧变化会出现过冲现象，从而影响系统的定位精度。

实验证明，在频繁启动和停止时这种现象尤其明显。

在设计中当系统启动时，步进电机的运行要经过加速、匀速和减速三个阶段，设定频率超过启动下限频率fn时，系统驱动电机从频率fn开始启动，每间隔时间△t提高频率△f，直到达到设定频率，匀速运行（如图4所示），停止减速过程与启动过程类同。

实验验证，经过离散化控制可一定程度的解决步进电机加减速控制中的失步和过冲，在减少噪音的同时提高了定位精度。

（下转第53页）
宋鸿飞，等：步进电机闭环细分驱动控制系统设计
第2期95
2制备工艺
一般地，截止带高反射的要求比较容易实现。

但是对于通带，由于透射率对膜层的相对厚度十分敏感，因此在制备中很难把握，即使一个很小的误差也会引起通带的透射率发生变化。

另外，匹配层是这个膜系的敏感层，其误差会引起通带波纹的改变。

因此，精确控制膜层厚度是制备滤光片的关键。

实验在GX －900型真空镀膜机上完成。

采用晶控监控膜厚［4］，电子束蒸发的方法，并辅以霍尔离子源。

二氧化钛的蒸发速率为0.2nm/s 。

二氧化硅的蒸发速率为0.7nm/s 。

分别制备出长波通滤光片和短波通滤光片，并将二者组合，得到测试曲线如图5。

图5激发滤光片的测试曲线
Fig.5
Measured result of the excitation color filter
从图中可以看出透射率曲线与理论曲线(图2)基本吻合。

如果消除零件背面4.25%的反射损失，则可见区的平均反射率达到98%左右，该膜系满足设计要求。

3结论
本文使用等效折射率的概念，采用了一种基于
自动优化的非规整膜层匹配方法，通过加匹配层很好地消除了通带波纹，从理论角度分析了滤光片的设计方法及设计过程，并给出了镀制该膜系的工艺要点。

通过测试曲线可以看出，做到了高精度波长定位，并实现了高透射率的要求。

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第2期53
（上接第95页）
图4步进电机加速离散化曲线
Fig.4The Curve of accelerated discretization
about step motor
5结论
步进电机闭环细分控制系统可以解决电机失步
和机械平台结构对精密位移平台的定位的影响，满足了系统的精度要求；同时细分驱动方式还可以避免电机低频共振；另外软件离散升频算法的实验，
也一定程度上解决了失步问题。

但是由于光栅尺的使用，研制成本增加，因此并不是所有设计中都要使用闭环系统，应根据实际使用需求合理配置。

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