步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)在掃平儀整平系統(tǒng)中的應(yīng)用

王建勇

（常州華達(dá)科捷光電儀器有限公司，江蘇常州 213023）

0 引言

激光掃平儀的自動(dòng)整平系統(tǒng)是掃平儀中重要的一部分，自動(dòng)整平的速度和精度會(huì)直接影響掃平儀的整機(jī)精度和工作效率。整平系統(tǒng)一般由水平傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)部分組成。MCU根據(jù)水平傳感器的狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)整儀器狀態(tài)。在儀器接近水平狀態(tài)時(shí)，要求電機(jī)以極低的速度運(yùn)行，以減少來(lái)回?cái)[動(dòng)的次數(shù)達(dá)到快速整平。但是，步進(jìn)電機(jī)的常規(guī)驅(qū)動(dòng)方式不能達(dá)到上述要求，從而限制了掃平儀的整平速度和精度。因此，本文提出了一種基于軟件算法的改良方案，通過軟件實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)繞組電流的細(xì)分，解決常規(guī)驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)掃平儀快速、高精度的整平。

1 步進(jìn)電機(jī)概述

1.1 掃平儀整平系統(tǒng)工作原理

掃平儀整平系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 掃平儀整平系統(tǒng)框

從圖1可以看出，掃平儀的整平系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)。其工作過程為：MCU通過讀取水平傳感器的信號(hào)→判斷儀器的狀態(tài)→控制電機(jī)→儀器狀態(tài)改變→MCU再次讀取傳感器信號(hào)，如此循環(huán)，直到儀器處于水平狀態(tài)。從工作過程可以看出，要保證整平速度，就要求在儀器傾斜角度過大時(shí)，要求電機(jī)以較快的速度驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在儀器接近水平時(shí)，要降低步進(jìn)電機(jī)的速度，以降低因整平系統(tǒng)超調(diào)導(dǎo)致儀器來(lái)回?cái)[動(dòng)的現(xiàn)象。這就要求MCU根據(jù)傳感器的信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的速度，并對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)。

1.2 細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理

步進(jìn)電機(jī)常規(guī)驅(qū)時(shí)各繞組的電流變化如圖2（a）所示，電機(jī)每走一步，繞組電流會(huì)從0突然變化到最大相電流，然后從最大相電流突然變化到0。這種電流的突變不符合步進(jìn)電機(jī)矩頻特性的規(guī)律，會(huì)引起電機(jī)的抖動(dòng)和噪聲。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)的目的就是將電流的突變轉(zhuǎn)變?yōu)榉喜竭M(jìn)電機(jī)矩頻特性規(guī)律的變化，即將繞組電流的變化細(xì)分為n步來(lái)完成，消除由于繞組電流的突變引起的電機(jī)抖動(dòng)和噪聲，同時(shí)降低電機(jī)的步進(jìn)角度。圖2（b）所示細(xì)分后繞組電流變化，根據(jù)該曲線對(duì)每一微步的電流值進(jìn)行量化，通過MCU查表方式來(lái)控制電機(jī)的繞組電流，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟件細(xì)分。

2 整平系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.1 細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

首先畫出符合步進(jìn)電機(jī)矩頻特性的繞組電流曲線，根據(jù)細(xì)分?jǐn)?shù)確定步進(jìn)電機(jī)相序與電流值的對(duì)應(yīng)表，然后通過實(shí)驗(yàn)得到量化后的電流值對(duì)應(yīng)的PWM控制值，做出對(duì)應(yīng)表存入MCU的片內(nèi)EEPROM中。

步進(jìn)電機(jī)按一定的相序通電，就可以實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)。通過當(dāng)前的相序值，查詢EEPROM中對(duì)應(yīng)的PWM控制值，就實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)，其流程圖見圖3。

圖2 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分前后繞組電流變化圖

圖3 細(xì)分驅(qū)動(dòng)流程圖

圖4 整平系統(tǒng)程序流程圖

2.2 整體程序設(shè)計(jì)

在整平系統(tǒng)程序中，MCU循環(huán)讀取水平傳感器的數(shù)據(jù)，如果儀器已經(jīng)整平，則返回繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。一旦發(fā)現(xiàn)儀器傾斜，判斷傾斜方向并計(jì)算傾斜的角度范圍、轉(zhuǎn)動(dòng)方向、速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后再返回繼續(xù)讀取水平傳感器數(shù)據(jù)，一直到儀器整平。整平系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出并實(shí)現(xiàn)的一種基于軟件算法的步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分方法在掃平儀中的應(yīng)用，在不改動(dòng)現(xiàn)有產(chǎn)品的硬件電路的情況下，通過軟件算法對(duì)掃平儀的整平系統(tǒng)進(jìn)行改良，實(shí)際測(cè)試證明，該方法可以有效地改善掃平儀的整平速度和精度，且具有很好的穩(wěn)定性。