收稿日期:200005 21 ;修稿日期:2000 第二炮兵工程学院,西安710025) Designing Realization oneControls Function Generator SuperhighDifferentiating Rate Fine SteppingMotor ZHA SecondArtillery Engineering Instit ute ,Xi’an 710025 ,China) 摘要:在步进电机16 位超高分辨率细分驱动系统设计 中,采用“电流矢量恒幅均匀旋转”细分方法,对细分控制函数 发生器 EPROM中的数据进行固化,选用2 片DAC0832 八位 转换器和1片OP07 高精度运算放大器,构成16 转换器,复现了固化数据,达到了良好的设计效果。关键词:步进电机;细分;数据固化;D/ 转换中图分类号:TM383. 文献标识码:A文章编号:1004 7018(2001) 01 04Abstract steppingmotor’s fine driving system 16bits superhighdifferentiating rate ,through adopting methodnamed“Current vector even rotation uniformampli2 tude”,the data finecontrols func2 tion generator. Through 16bits changersconsist twopieces DAC0832(8bits changer) onepiece OP07(highpre2 cision operation amplifier) writtendata EPROMrevert welldesigning results. Keywords :stepping motor ;fine ;data write 在某装自动定向系统研究中,采用了“计算机—步进电机—定向机构”的闭环控制方案,选用的是 A2060 —9212 型两相混合式步进电机,其整步距角为 9,显然不能满足装定向精度在几秒之内的要求,因此,必须对步进电机实施细分驱动。系统采用 电流矢量恒幅均匀旋转方法,设计并实现了步进电机 的16384 不仅满足了系统的设计要求,而且对步进电机细分技术也进行了一些有益的探索。 电流矢量恒幅均匀旋转细分方法步进电机步距角细分是通过改变步进电机相电 流的方法来实现的。通常采用电流矢量恒幅均匀旋 转的细分方法,即同时改变两相电流 等幅均匀旋转。两相步进电机这种方法从理论上根本消除了滞后角θ 的变化对细分角的影响,确保了超高分辨率细分的实现。i 的变化曲线可描述为: 为正弦函数。当按照式(1)所示的规律对 两相电流进行控制时,每当参数 变化1,步进电机的转 子将转过一个电角度。A2060 9212型步进电机的 转子上有100 01=36″ 为步进电机16位超高分辨率细分驱动系统 的原理组成框图。由图中可以看出,它主要由环形分 配器、细分控制函数发生器、三角波发生器、PID 电流 调节器、PWM 脉宽调制电路、电流取样电路、功率桥 和电源等部分组成。 细分驱动系统的简要工作过程是:计算机送出的 脉冲信号经环形分配器中的计数器计数与分配,送到 细分控制函数发生器, 产生大小受控于控制参数 两相绕组电流的控制电压,经PID 电流调节器 放大,再与三角波电压比较,其差值电压由 PWM 宽调制电路整形为脉宽正比于控制电压的方波,用来控制功率桥中 VMOS 管的通断。电机绕组 分别接在两个功率桥的对角线上,取得正、余弦电流 。这样每当输入一个脉冲,电机转子就步进一个微步距角θ 微特电机2001 90个电角度 9036″ 可以看出,细分驱动系统由两路对称的细分控制函数发生器组成。图2 所示为其中的A 分控制函数发生器的电原理图,它主要由27256存储 EPROM)、八位D/ A转换器DAC0832和高精度 相(余弦)细分控制函数发生器电原理图 运算放大器OP07 等元器件构成。 EPROM共用环形分配器输出 的15 位计数值作为地址输入,每一片 EPROM 位,两片结合构成16 位存储器, 用来存储 (固化) 相(余弦)细分控制函数值,其中,27256 存储高八位数据,27256 存储低八位数据。E2PROM中固化的数字量与地址的关系如图 所示,其中:横轴A 表示地址,其范围是0～2 15 ,十六进制表示为0000～7FFF 表示EPROM 中固化 的数字量,其值为 65535,二进制表示 为1 ,十六进制表示为 FFFF 相细分控制函数值变化曲线 式中:方括号[]表示按“四舍五入”方式取整。 EPROM进行数据固化是通过烧碌器在计算 机编程控制下完成的。烧碌(固化) 用数据采用 言,按照式(3)的数学模型编程获得,数据存储格式为 二进制。A 相各有215 组16 位二进制数据。 EPROM固化数据中的部分典型值与地址对应 关系见下表。 EPROM中固化数据与地址对应关系表(部分) 地址A (余弦)数据 (正弦)EPROM(1) EPROM(2) EPROM(3) EPROM(4) 11111111( FF) 11111111( FF) 00000000(00) 00000000(00) 11111111( FF) 11111111( FF) 00000000(00) 00000110(06) 11111111( FF) 11111111( FF) 00000010(02) 00010110(16) 11111111( FF) 11111110( FE) 00000010(02) 00010111(17) 00000000(00) 00000110(06) 11111111( FF) 11111111( FF) 00000000(00) 00000000(00) 11111111( FF) 11111111( FF) 00000000(00) 00000110(06) 11111111( FF) 11111111( FF) 11111111( FF) 11111110( FE) 00000010(02) 00010111(17) 11111111( FF) 11111111( FF) 00000010(02) 00010110(16) 11111111( FF) 11111111( FF) 00000000(00) 00000110(06) 11111111( FF) 11111111( FF) 00000000(00) 00000000(00) 注:表中括号内数据为十六进制形式 细分控制函数的产生DAC0832(1) 、DAC0832 和OP07(01) 共同作 EPROM输出的16 位数字量转换为模拟电压 量,即产生余弦细分控制函数值。 DAC0832( RA1由CC4052 双四选一模拟开关电路提供,约为+ 3V。DAC0832 OP07(01) 输出端电压。 OP07 为高精度运算放大器( 。OP07(01) 输出端电压 因此,可以认为两片DAC0832八位D/ 片OP07运算放大器的级联,构成了一个十六位D/ 转换器,其中,DAC0832 转换器,两者的输出电流经OP07 (03) 和OP07 (04) 运算放大器处理后 转变为大小受控于控制参数 集到一起送到后面的PID 电流调节电路。 OP07 03)和OP07 (04) 端输出的控制电压分别为: RA1即细分控制函数发生器输出的A 相控制电压为: 相16位输入数字量 同样可得B相控制电压为: 由于步进电机细分驱动系统是连续反馈控制系统,它需要D/ 转换器的模拟输出能连续地反映输入数字量的状态,因此,DAC0832 的CS(1 ILE(19 直接接到了+5V 高电平,这就确保了它 的两个内部寄存器能紧跟输入数字量的变化。 当数据被锁存在内部寄存器中时,输入数字量的 变化将会产生电流尖峰,它通常是由响应输入变化的 快速开关引起的。为了把尖峰电流限制到小, DAC0832八位 转换器的反馈电阻两端(9、11 ,从根本上衰减了尖峰的影响。 片DAC0832构成的16 转换器能否正常稳定工作的关键, 就是确保 DAC0832 转换器参考电压输入端所加电压的关系稳定在1/ 256 的比例上,为此,系统设计中除了选用 高精度运算放大器 OP07 作为级联环节外, 还在 OP07 细分控制函数的形成DAC0832 参考电压 之间的关系,如图 可知,在细分控 制函数发生器输出端得到的输出电压 值,其变化曲线)地址范围内固化数据变化曲线)地址范围内固化数据反相,而 0(16383) ～7FFF (32767) 地址范围 内固化数据同相; 均为负值,其变化曲线与相应的 EPROM中0000 ～3FFF(16383)地址范围内的固 化数据变化曲线) 地址范围内固化数据同相, 微特电机2001 0(16382) ～7FFF (32767) 地址 范围内固化数据反相; 为正值,其变化曲线) 地址范围内固化 数据变化曲线同相。两相步进电机 依此类推,循环往复,则在 CC4052 拟开关电路的控制下,细分控制函数发生器的输出端得到的输出电压 的变化曲线分别为余弦和正弦曲线) 的要求,保证了电流合成矢量 幅值的恒定,如图5所示。 1665535 9016384 1665535 9016384 9016384 9016384 RB3因为 3V,并将式(2) 代入上式, 化简可得: 式完全相同,因此,细分控制函数发生器输出信号的变化曲线正是电流矢量恒幅均匀 旋转细分方法理论上所需要的控制函数。 所示为16位步进电机细分控制系统微步距 角测试仪器架设示意图,其主要由 TA80 型光电自准 、模拟平台实验装置、工业控制机和被测步进电机细分控制系统等部 分组成。两相步进电机 测试前,按照图6 所示架设好各仪器设,连接 好电缆。给 TA80 光电自准直光管和步进电机细分 控制系统通电,并预热 20min 以消除TA80 步进电机细分控制系统零漂对测试结果的影响。调整自准直光管本机和模拟平台实验装置上棱镜装置 的相对位置,将自准直光管的物镜中心(光轴) 基本上 对准棱镜装置的中心。然后调整支承模拟平台实验 装置的专用活动工作台的底脚螺旋,并借助水准器, 使棱镜装置反射面基本上与光轴垂直。 微步距角测试仪器架设示意图测试方法是:给自准直光管通电,用光电准直方 法瞄准十字线象,此时电气箱上显示数据计为θ 为测量起始点。启动计算机,运行微步距角测试程 的脉冲控制信号,驱动步进电机带动棱镜装置旋 转一个角度, 则自准直光管视场内的十字线象将有相 应的位移, 旋转调节手轮使光电瞄准再次指零, 此时 电气箱显示器上的读数值为θ 为步进电机次的角变量。再向细分控制系统发出同样数量的脉冲, 则棱镜装置跟着旋转一个角度, 自准直光管视场内的十字线象将有相应的位移, 旋转 调节手轮使光电瞄准再次指零, 此时电气箱显示器上 的读数值为θ 即为步进电机第二次的角变量。依此类推,Δθ 的算术平均值Δθ,再除以脉冲个数 即可得到微步距角测量值θ 实际测量时,计算机每次发出5个脉冲,按正、反 不同转向分别测量30 个数据,正反向各测量5 组共10 组数据。其测量结果是:θ 所示理论计算值相同,达到了良好的设计效果。它的研制成功,为 装自动定向系统的研究提供了有力的技术保证。 参考文献: 第二炮兵工程学院博士学位论文,2000 北京:国防工业出版社,1989

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