步進電機細分技術在DXD系列包裝機中的應用

武亞平

（洛陽理工學院，河南 洛陽 471023）

步進電機細分技術在DXD系列包裝機中的應用

武亞平

（洛陽理工學院，河南 洛陽 471023）

DXD系列包裝機在工作中容易產生袋長誤差，無法隨機補償、調整。文章介紹一種基于AT89C51單片機控制的恒頻斬波細分驅動方案及實現技術。試驗表明，該方案細分精度高，運行平穩，可提高包裝機的走紙精度和平穩性。

步進電機；細分技術；AT89C51；恒頻；包裝機

世界包裝機械總的發展趨勢是提高自動化和生產率及柔性和靈活性。DXD系列包裝機采用卷膜包裝材料，具有自動完成計量、制袋、填料、封合、打印批號及切斷等功能［1］。但在實際生產中發現，要實現上述動作的理想狀態，存在以下問題：包裝袋長的誤差無法隨機補償、調整；包裝物料的計量誤差調整困難。針對上述缺陷，本試驗擬在原有的單片機控制系統上進行開發，采用恒頻斬波細分驅動技術對步進電機的步距角進行細分；增加一些細分電路，對原有程序加以修改。旨在通過以低成本改造減少該系列包裝機的袋長誤差，減小其步距角，提高步進分辨率，增加運行平穩性，從而可有效地提高包裝機的包裝精度。

1 步進電機細分技術方案分析

步進電機是將脈沖信號轉換成角位移的執行元件，由于其定位精度高、慣性好、啟動性能好而得到廣泛的應用［2］。DXD系列包裝機選用混合式步進電動機86BYG303，工作方式為兩相四拍式，步距角為1.8°。其性能依賴于驅動電路的控制方式。

細分控制就是把步進電機的步距角變小。如當驅動器工作在10細分狀態時，其步距角為電機固有步距角的1／10。那么，在該包裝機的控制系統中，當驅動器呈不細分的整步狀態時，每接收一個步進脈沖，電機將轉動1.8°；而當細分驅動器工作在10細分狀態時，電機只轉動0.18°［3］。由此可見，實現細分驅動可有效地減小步距角、提高分辨率、增加運動平穩性。目前多采用以下兩種細分方法。

1.1 改變步進電機的控制方式

步進電機的控制中已經蘊含了細分的原理。比如，將步進電機86BYG303的控制方式由兩相四拍改為兩相八拍，那么它的步距角將由1.8°變為0.9°［4］。這就是一種簡單的細分方法。如果設法使繞組中電流的波形為一個分成N個臺階的階梯波（N為正整數），則電流每升或降一個臺階時，轉子將轉過一小步。但這種方法有一個不可克服的缺陷：在旋轉過程中，由于電流合成矢量的幅值在不斷變化，從而引起滯后角也在不斷變化。因此，只有在相電流與步距角之間為線性關系時才能成立。

1.2 采用PWM控制的方法獲得階梯形電流

還有一種方法是目前常用的：利用微型計算機數字控制技術，采用數字PWM［5］（pulse width modulation，脈寬調制）控制的方法獲得階梯形電流。PWM控制技術是利用晶體管的導通和關斷作用，將輸入的直流電變成輸出脈沖序列，并通過控制脈沖寬度（即占空比）或周期來達到變壓、變流或變頻的目的。對合成電壓矢量進行積分，就得到了一個隨時間變化、幅值一定的圓形磁場（也稱合成磁場）。合成磁場的幅值決定了步進電機旋轉力矩的大小，相鄰兩磁場矢量之間的夾角決定了步距角的大小。

在此技術基礎上，本試驗提出了一種恒頻斬波細分驅動方法，基本思路是：使步進電機內部合成磁場的幅值保持恒定，合成磁場的方向則均勻變化。本試驗是在AT89C51單片機控制的恒頻斬波細分驅動的基礎上，給出了設計方案及實現技術。

2 細分驅動系統設計

恒頻斬波細分驅動控制實際上是對斬波恒流驅動電路的改進。在斬波恒流驅動電路中，繞組L中電流的大小取決于比較器的給定電壓，在工作過程中，這個給定電壓是恒定值。現在用一個階梯電壓來代替這個給定電壓，就可以得到階梯形電流波。

2.1 恒頻斬波細分驅動系統硬件設計

恒頻斬波細分驅動電路見圖1。本控制系統的核心為單片機AT89C51。方波信號的頻率為20kHz，由定時器T0產生。方波輸出至觸發器D，作為恒頻信號。同時，單片機內部的E2PROM中存儲的細分電流控制信號輸出至D／A轉換器，轉換為模擬電壓信號。該信號與取樣信號進行比較，作為斬波控制信號［6］。階梯電壓每變化一次，轉子走一細步。步進電機的細分數、正／反轉、運行速度、運行脈沖的頻率、啟／停等控制可由鍵盤輸入，也可通過串行通訊口由上位機設置。當前的通電相、相電流的大小、正／反轉、運行速度、電機運行時間等都可通過LED數碼管顯示。串行口還可以進行加減速控制計算等處理。

圖1 恒頻斬波細分驅動電路Figure 1 The subdivision drive circuit diagram of constant frequency

恒流斬波細分電路的工作原理為：當D／A轉換器的輸出電壓ua不變時，恒頻信號CLK的上升沿使D觸發器輸出為高電平。從而使開關管VT1、VT2導通，繞組L中的電流變大［7］，取樣電阻R2的壓降變大。當這個壓降大于ua時，比較器將輸出低電平，那么D觸發器的輸出ub也為低電平，從而使開關管VT1、VT2截止，并聯的R4C2、二極管、繞組L及主電源構成泄放回路。使繞組L的電流迅速變小。反之，當取樣電阻R2上的壓降小于ua時，比較器將輸出高電平，則D觸發器的輸出ub也為高電平，VT1、VT2再次導通，繞組中的電流重新上升。這樣的過程反復進行，繞組L中的電流波形為鋸齒波。同時，由于CLK脈沖的頻率較高，鋸齒波的波動范圍會很小。恒頻脈沖CLK、階梯波給定電壓、開關管VT1的控制電壓和繞組電流的波形示意圖見圖2。

圖2 恒頻斬波細分驅動的電流波形Figure 2 The current wave of constant frequency subdivision drive

2.2 驅動系統軟件設計

恒流斬波細分驅動系統的軟件主要由主程序、細分驅動程序、鍵處理程序、顯示程序、監控程序等組成［8］。細分驅動主控制程序主要完成參數的初始化、中斷方式設置、定時器設置、計數器工作方式設置和子程序的調用等，控制整個程序的流程。主程序流程見圖3。初始化主要包括AT89C51的中斷方式、定時方式及內部RAM等。在AT89C51內部的中斷系統中，使用了INT1、T0和T13個模式。其中，INT1為高優先級中斷。當有停止鍵按下時，定時器T0將關閉，步進電機停止工作。而T0控制步進電機的步進周期，只進行定時器和置標志位的操作，其它操作均在主程序中完成。

在細分驅動程序中，細分電流斬波控制信號存儲在單片機內部的E2PROM中，采用軟件查表法實現［9］。外部控制信號則采用地址選擇法輸出相應的電流數據。當細分數不同時，查表的偏移量也不同。細分驅動程序流程見圖4。

圖3 主程序流程圖Figure 3 The flow chart of main program

圖4 細分驅動子程序流程圖Figure 4 The flow chart of subdivided drive subprogram

3 結束語

細分控制使步進電機的實際步距角減小，可大大提高對執行機構的控制精度。同時，由于減小了步距角，提高了步距的均勻性，從而提高了電機的分辨率。將該控制系統用于DXD系列包裝機中，進一步提高了包裝機的走紙精度和系統的運行平穩性。有效地解決了步進電機噪聲大的問題。減小了袋長誤差，取得了滿意的效果。

1 李基洪.機電一體化在包裝機中的應用［J］.包裝工程，2000，21（6）：38～39.

2 楊渝欽.控制電機［M］.第二版.北京：機械工業出版社，2001.

3 李鐵才.電機控制技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2000.

4 蔡錦達，石恩琪.基于單片機的步進電機S形曲線調速控制［J］.包裝工程，2007，28（7）：77～78.

5 林波，李興根.混合式步進電機SPWM微步驅動技術的研究［J］.微電機，2000，33（3）：16～18.

6 王季秩，貢俊，顧鴻祥.微特電機應用技術手冊［M］.上海：上海科學技術出版社，2003.

7 劉軍，王海群.細分電路在步進電機控制系統中的應用［J］.電氣自動化，2003，25（3）：24～25.

8 余永權.ATMEL89系列單片機應用技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

9 何立民.單片機應用技術選編［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1999.

Application of subdivided technology of stepping motor on DXD series packaging machine

WU Ya－ping

（Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang，Henan471023，China）

There is an error of paper length on working of DXD series packaging machine，which can t be compensated and adjusted.The subdivied technology project of stepping motor is discussed.The drive scheme of constant frequency and even division based on AT89C51single chip microcomputer is presented.The operating result indicates that this scheme has high division precision，high stability.Simultaneity，the packaging machine s paper precision and stability are improved markedly.

stepping motor；subdivided technology；AT89C51；constant frequency；packaging machine

10.3969／j.issn.1003－5788.2011.04.031

武亞平（1976－），女，洛陽理工學院講師，碩士研究生。E－mail：lyjmwyp＠163.com

2011－04－01