步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉換成角位移或線(xiàn)位移的一種裝置。它產(chǎn)生的位移與輸入脈沖數嚴格成正比，平均轉速與輸入脈沖的頻率成正比，具有結構簡(jiǎn)單、可靠性高和成本低的特點(diǎn)。由于步進(jìn)電機沒(méi)有積累誤差，容易實(shí)現較高精度的位移和速度控制，被廣泛用于精確控制領(lǐng)域。由步進(jìn)電機與驅動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數控系統簡(jiǎn)單并且價(jià)格低廉，但有時(shí)存在振蕩和失步現象，故在復雜電磁環(huán)境下或是對精度要求較高的場(chǎng)合下，必須加入反饋電路組成高性能的閉環(huán)數控系統。本文采用旋轉編碼器作為反饋器件對步進(jìn)電機實(shí)行閉環(huán)控制。

1、THB6064H簡(jiǎn)介

THB6064H是在東芝公司2009年主推的TB6560AHQ的基礎上開(kāi)發(fā)的一款PWM斬波型兩相步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片。該芯片配合簡(jiǎn)單的外圍電路即可設計出高性能、多細分、大電流的驅動(dòng)電路，在低成本、低振動(dòng)、低噪聲、高速度的設計中應用效果較佳。其主要參數和性能指標有：雙全橋 MOSFET 驅動(dòng)，低導通電阻 Ron=0.4 Ω（上橋+下橋），高耐壓 50 V DC，大電流 4.5 A（峰值）;多種細分可選（1/2、1/8、1/10、1/16、1/20、1/32、1/40、1/64），自動(dòng)半流鎖定功能，衰減方式連續可調;內置高溫保護及過(guò)流保護，當溫度高于170 ℃時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)所有輸出;封裝形式為HZIP25P1.27封裝。

2、控制原理

本文的步進(jìn)電機閉環(huán)控制方法采用核步法。核步法的控制思想是從簡(jiǎn)化控制系統出發(fā)，利用核步計數器對系統位置進(jìn)行跟蹤監視，即時(shí)發(fā)出反饋控制信號，從而完成對位置的控制。其基本原理如圖1所示。單片機接收來(lái)自上位機的時(shí)序脈沖信號和方向信號，經(jīng)驅動(dòng)放大后送往步進(jìn)電機來(lái)控制步進(jìn)電機工作;步進(jìn)電機帶動(dòng)編碼器同軸旋轉，由編碼器檢測轉角度，并以脈沖的形式反饋到單片機進(jìn)行核步計數;單片機根據脈沖反饋當量值與給定值進(jìn)行比較，按照核步算法發(fā)出控制指令。如果發(fā)生丟步，單片機就會(huì )根據差值繼續發(fā)送脈沖，把丟掉的步數補上，從而完成步進(jìn)電機轉動(dòng)位置的閉環(huán)控制。

圖1閉環(huán)控制原理示意圖

3、硬件設計

3.1驅動(dòng)部分電路

驅動(dòng)電路以步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片THB6064H為核心，配合簡(jiǎn)單的外圍電路實(shí)現步進(jìn)電機的驅動(dòng)。驅動(dòng)電路如圖2所示。

驅動(dòng)電源的電壓最高不能超過(guò)50 V，要大于芯片邏輯電壓。提高驅動(dòng)電壓可使電機在高頻范圍轉矩增大，電壓大小要根據使用情況來(lái)選擇。VMA、VMB端口是步進(jìn)電機的驅動(dòng)電源引腳，設計時(shí)應接入瓷片去耦電容和電解電容用來(lái)穩壓。OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B 端口分別為步進(jìn)電機的2相輸出接口，由于此芯片內集成了續流二極管，不用像以前的一些驅動(dòng)芯片那樣在輸出口外接二極管，因此就可以使電路板的布線(xiàn)空間縮小，從而減小控制器的體積。NFA、NFB端口分別為步進(jìn)電機A、B兩相的相電流檢測端，應連接大功率檢測電阻，典型值為0��25 Ω/2 W。VREF為電流設定端，調整此端電壓就可以設定驅動(dòng)電流的大小。PGNDA、PGNDB、SGND分別為步進(jìn)電機驅動(dòng)的引腳地和邏輯電源地。芯片的邏輯電源為5 V，VDD端口為邏輯電源引腳，設計時(shí)也要接入電容來(lái)減小干擾噪聲;alert為過(guò)流保護輸出端;RESET為芯片復位腳，低電平有效;OSC1A、OSC1B端口所接電容的大小決定了斬波器頻率，推薦接入100～1 000 pF的電容，此時(shí)的斬波頻率為400～44 kHz;M1、M2、M3端口分別為步進(jìn)電機驅動(dòng)的細分設置引腳，用外接撥碼開(kāi)關(guān)可設定不同的細分值，例如整步、1/2步、1/4步、1/8步等，最高可達64細分。由于步進(jìn)電機在低頻工作時(shí)，可能會(huì )伴有較大的振動(dòng)和較大的噪聲，這些就需要通過(guò)細分驅動(dòng)來(lái)解決。驅動(dòng)輸出的電流調節和衰減方式調節都可通過(guò)外接撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現，電路簡(jiǎn)單，方便可靠。

3.2反饋控制電路

電路的反饋環(huán)節選用增量型旋轉編碼器與步進(jìn)電機固定同軸旋轉，產(chǎn)生反饋脈沖信號，發(fā)送到單片機，經(jīng)單片機處理后獲得步進(jìn)電機的旋轉信息。

3.2.1旋轉編碼器的工作原理

旋轉編碼器是一種集光、機、電于一體的轉速、位移傳感器，具有高頻響、分辨能力高、力矩小、耗能低、性能可靠、使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。旋轉編碼器包括碼盤(pán)（編碼盤(pán)的線(xiàn)數不同）、發(fā)光元件、接收元件和信號處理部分。碼盤(pán)的線(xiàn)數決定了其精度。當步進(jìn)電機帶動(dòng)碼盤(pán)旋轉時(shí)，因刻線(xiàn)處透光，間隔處不透光，透過(guò)的光被接收元件接收并輸入到信號處理部分，產(chǎn)生脈沖信號輸出。旋轉編碼器一般分為增量式和絕對式：增量式旋轉編碼器輸出脈沖供后續電路計數和旋轉方向的判斷，能夠實(shí)現多圈無(wú)限累計測量;絕對式旋轉編碼器以代碼的形式輸出來(lái)表示當前的位置，轉動(dòng)方向是通過(guò)代碼的變化趨勢來(lái)確定的［4］。一般相同分辨率的編碼器，增量式的要比絕對式的便宜，實(shí)際應用中，增量式旋轉編碼器應用更為廣泛。本文選用增量型旋轉編碼器，有三根信號輸出線(xiàn)A相、B相、Z相。當編碼器轉動(dòng)時(shí)A、B兩根線(xiàn)都產(chǎn)生脈沖輸出，A、B兩相脈沖相差90°相位角，由此可測出編碼器的轉動(dòng)方向與電機轉速。當正轉時(shí)，A相脈沖比B相脈沖超前90°，反轉時(shí)A相比B相落后90°。A相用來(lái)測量脈沖個(gè)數，B相與A相配合就可測量出轉動(dòng)方向。Z相為零脈沖線(xiàn)，光電編碼器在每轉一圈的固定位置產(chǎn)生一個(gè)脈沖，主要用作計數和基準點(diǎn)定位，一般可以不用該相。

3.2.2控制電路

控制部分電路是以51單片機為控制核心，接收上位機的脈沖信號和方向信號CLK1和CW1經(jīng)過(guò)存儲處理后發(fā)送給驅動(dòng)電路部分驅動(dòng)步進(jìn)電機工作。另外，單片機還要實(shí)時(shí)接收來(lái)自旋轉編碼器的反饋脈沖信號，對編碼器的兩相反饋脈沖信號進(jìn)行處理，判斷步進(jìn)電機的位置和旋轉方向是否與給定信息相符合，如果不相符就調用相應的算法進(jìn)行自動(dòng)補償，最終使步進(jìn)電機達到預定的位置。由于旋轉編碼器的分辨率有高有低，如果選擇高分辨率的旋轉編碼器，在細分情況下，當步進(jìn)電機在最高轉速時(shí)，要求單片機的相應速度要符合要求。本設計選用的單片機為宏晶科技的STC12C5201單片機，1個(gè)時(shí)鐘/機器周期，增強型8051內核，速度比普通8051快8~12倍。一般程序稍大的可選用STC12C5202或者STC12C5204。編碼器與STC12C5201的接口如圖3所示。

需要注意的是，上位機向單片機發(fā)送控制信號的時(shí)候要經(jīng)過(guò)光耦隔離。光耦隔離的作用有兩個(gè)：第一，防止電機干擾和損壞前級芯片;第二，對控制信號進(jìn)行整形。對于控制信號CLK和CW/CCW要選用中速或者高速的光耦，以保證信號經(jīng)過(guò)光耦后不會(huì )發(fā)生延遲或者變形而影響步進(jìn)電機的驅動(dòng)。

4、軟件設計

軟件設計中初始化設置要定義各端口的功能，電機的初始化主要是運行前設置端口的I/O方向，確定所選擇的細分驅動(dòng)方式等。之后，要實(shí)時(shí)獲得電機的工作狀態(tài)和驅動(dòng)電機運轉，并在中斷服務(wù)程序中處理電機的丟步和轉向控制�，F代單片機運行速度都很快，所以對編碼器采用軟件鑒相，既簡(jiǎn)化電路結構，又節約成本。將編碼器的A相與單片機的外部中斷INT0相連，B相與普通I/O口的P1.0相連。由于編碼器的A相與B相在輸出上有固定的相位關(guān)系，正轉與反轉時(shí)編碼器的A、B兩相的電平信號不同，正轉時(shí)，每當A相出現高電平的前四分之一周期時(shí)，B相為高電平;反轉時(shí)，每當A相出現高電平的前四分之一周期時(shí)，B相為低電平。因此，單片機使用外部中斷0來(lái)處理編碼器數據，把編碼器的A相接中斷源。在中斷服務(wù)程序中，程序通過(guò)讀取B相（P1.0口）的狀態(tài)來(lái)確定編碼器的轉向，進(jìn)而完成加1或者減1的雙向計數。軟件程序流程如圖4所示。

圖4軟件程序流程

結語(yǔ)

本文提出了基于驅動(dòng)芯片THB6064H的步進(jìn)電機閉環(huán)控制電路設計方案。硬件設計將低成本的51單片機與步進(jìn)電機專(zhuān)用驅動(dòng)芯片一體化（目前基本都是分立開(kāi)的），既可以實(shí)現所需功能，又能降低成本。該電路結構簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)特性好、適應性強、速度快、精度高、性能穩定。采用編碼器作為位置反饋，既能使步進(jìn)電機達到伺服電機的高速度、高精度效果，又能降低成本，在各種車(chē)床、切割機、雕刻機等數控場(chǎng)合有很高的實(shí)用價(jià)值。