【儀器儀表商情網 技術分析】步進電機是將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的一種裝置。它產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，具有結構簡單、可靠性高和成本低的特點。由于步進電機沒有積累誤差，容易實現較高精度的位移和速度控制，被廣泛用于精確控制領域。由步進電機與驅動電路組成的開環數控系統簡單并且價格低廉，但有時存在振蕩和失步現象，故在復雜電磁環境下或是對精度要求較高的場合下，必須加入反饋電路組成高性能的閉環數控系統。本文采用旋轉編碼器作為反饋器件對步進電機實行閉環控制。
1THB6064H簡介
THB6064H是在東芝公司2009年主推的TB6560AHQ的基礎上開發的一款PWM斬波型兩相步進電機驅動芯片。該芯片配合簡單的外圍電路即可設計出高性能、多細分、大電流的驅動電路，在低成本、低振動、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，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)，自動半流鎖定功能，衰減方式連續可調;內置高溫保護及過流保護，當溫度高于170 ℃時自動斷開所有輸出;封裝形式為HZIP25P1.27封裝[2]。
2控制原理
本文的步進電機閉環控制方法采用核步法[3]。核步法的控制思想是從簡化控制系統出發，利用核步計數器對系統位置進行跟蹤監視，即時發出反饋控制信號，從而完成對位置的控制。其基本原理如圖1所示。單片機接收來自上位機的時序脈沖信號和方向信號，經驅動放大后送往步進電機來控制步進電機工作;步進電機帶動編碼器同軸旋轉，由編碼器檢測轉角度，并以脈沖的形式反饋到單片機進行核步計數;單片機根據脈沖反饋當量值與給定值進行比較，按照核步算法發出控制指令。如果發生丟步，單片機就會根據差值繼續發送脈沖，把丟掉的步數補上，從而完成步進電機轉動位置的閉環控制。
圖1閉環控制原理示意圖
3硬件設計
3.1驅動部分電路
驅動電路以步進電機驅動芯片THB6064H為核心，配合簡單的外圍電路實現步進電機的驅動。驅動電路如圖2所示。
圖2驅動電路
驅動電源的電壓最高不能超過50 V，要大于芯片邏輯電壓。提高驅動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選擇。VMA、VMB端口是步進電機的驅動電源引腳，設計時應接入瓷片去耦電容和電解電容用來穩壓。OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B 端口分別為步進電機的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空間縮小，從而減小控制器的體積。NFA、NFB端口分別為步進電機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025 Ω/2 W。VREF為電流設定端，調整此端電壓就可以設定驅動電流的大小。PGNDA、PGNDB、SGND分別為步進電機驅動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，設計時也要接入電容來減小干擾噪聲;alert為過流保護輸出端;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，此時的斬波頻率為400～44 kHz;M1、M2、M3端口分別為步進電機驅動的細分設置引腳，用外接撥碼開關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。由于步進電機在低頻工作時，可能會伴有較大的振動和較大的噪聲，這些就需要通過細分驅動來解決。驅動輸出的電流調節和衰減方式調節都可通過外接撥碼開關來實現，電路簡單，方便可靠。
3.2反饋控制電路
電路的反饋環節選用增量型旋轉編碼器與步進電機固定同軸旋轉，產生反饋脈沖信號，發送到單片機，經單片機處理后獲得步進電機的旋轉信息。
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、使用壽命長等優點。旋轉編碼器包括碼盤(編碼盤的線數不同)、發光元件、接收元件和信號處理部分。碼盤的線數決定了其精度。當步進電機帶動碼盤旋轉時，因刻線處透光，間隔處不透光，透過的光被接收元件接收并輸入到信號處理部分，產生脈沖信號輸出。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，能夠實現多圈無限累計測量;絕對式旋轉編碼器以代碼的形式輸出來表示當前的位置，轉動方向是通過代碼的變化趨勢來確定的[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A相、B相、Z相。當編碼器轉動時A、B兩根線都產生脈沖輸出,A、B兩相脈沖相差90°相位角，由此可測出編碼器的轉動方向與電機轉速。當正轉時，A相脈沖比B相脈沖超前90°，反轉時A相比B相落后90°。A相用來測量脈沖個數,B相與A相配合就可測量出轉動方向。Z相為零脈沖線,光電編碼器在每轉一圈的固定位置產生一個脈沖，主要用作計數和基準點定位，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經過存儲處理后發送給驅動電路部分驅動步進電機工作。另外，單片機還要實時接收來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行處理，判斷步進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行自動補償，最終使步進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，當步進電機在最高轉速時，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個時鐘/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。
圖3編碼器與單片機接口
需要注意的是，上位機向單片機發送控制信號的時候要經過光耦隔離。光耦隔離的作用有兩個：第一，防止電機干擾和損壞前級芯片;第二，對控制信號進行整形。對于控制信號CLK和CW/CCW要選用中速或者高速的光耦，以保證信號經過光耦后不會發生延遲或者變形而影響步進電機的驅動[5]。
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方式等。之后，要實時獲得電機的工作狀態和驅動電機運轉，并在中斷服務程序中處理電機的丟步和轉向控制[6]。現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系，正轉與反轉時編碼器的A、B兩相的電平信號不同，正轉時，每當A相出現高電平的前四分之一周期時，B相為高電平;反轉時，每當A相出現高電平的前四分之一周期時，B相為低電平。因此，單片機使用外部中斷0來處理編碼器數據，把編碼器的A相接中斷源。在中斷服務程序中，程序通過讀取B相(P1.0口)的狀態來確定編碼器的轉向，進而完成加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
本文提出了基于驅動芯片THB6064H的步進電機閉環控制電路設計方案。硬件設計將低成本的51單片機與步進電機專用驅動芯片一體化(目前基本都是分立開的)，既可以實現所需功能，又能降低成本。該電路結構簡單、動態特性好、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，在各種車床、切割機、雕刻機等數控場合有很高的實用價值。
