基于MTD2009J的步進電機細分控制系統

引言

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速和停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，以及步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度和位置等控制領域用步進電機來控制變得非常簡單。

較常用的步進電機包括反應式步進電機、永磁式步進電機、混合式步進電機和單相式步進電機等。其中反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定字上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。

目前步進電機已廣泛運用在需高定位精度、高分解能以及高響應性、信賴性等靈活控制性高的機械系統中，從生產過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，很容易發現步進電機的蹤跡；尤其在重視速度和位置控制，需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合中，步進電機用的最多。但其步矩角較大，一般為1.5°－3°，并產生較大的跳動。尤其在低速情況下，系統的平穩性較差，往往滿足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求，實現細分驅動是減小步距角，提高步進分辨率，增強電機運行平穩性的一種行之有效的方法。

1 步進電機細分驅動原理

步進電機細分驅動的工作原理是：在每次輸入脈沖時，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應繞組中額定的部分。電機轉子的每步運動也只有步距角的一部分，這里繞組電流不是方波，而是階梯波，電流分成多少個臺階，轉子就以同樣的個數轉過一個步距角，這樣將1個步距角細分成若干步的驅動方法稱為"細分驅動"。

細分驅動的特點是：

在不改變電機結構參數的情況下，能使步距角減小；
能使步進電機運行平穩，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。
可見，要實現細分，就需要將輸入步進電機繞組的矩形電流波改變成階梯性細分電流波，即設法使輸入電機繞組的電流以若干個等幅、等寬度階梯上升到額定值，并以同樣的階梯從額定值下降為零，如圖1所示。

本文采用新電元公司的步進電機驅動芯片mtd2009j實現上述細分控制系統。

2 mtd2009j特點

mtd2009j是日本新電元工業公司生產的一種雙極性、定電流兩相步進電機驅動ic。由于它把功放電路和控制電路都集成到一個芯片上，因此只需少許的外圍元件，就能構成定電流驅動電路，并且該芯片還具有微步驅動功能，通過切換電流衰減速度可以實現低振動、低噪聲的電機驅動。

2.1 特性

mtd2009j具有如下特性：
ic內部有雙h橋；
ic內部有續流、回饋二極管；
與ttl、cmos電平兼容，可直接接至cpu和門陣列等；
pwm定電流斬波功能；
內部電路具有噪聲消除功能，無須外加濾波器；
具有電流衰減速度切換功能；
具有換向時防止上下橋臂直通功能；
可同時驅動兩個兩相步進電機。

2.2 mtd2009j細分方法及驅動波形

使用mtd2009j驅動兩相步進電機可以明顯地減少步進電機的振動和噪聲，mtd2009j對每個相位都有一個獨立的參考電壓端。步進電機細分的控制是通過參考電壓端電壓的變化來實現的。圖2為mtd2009j的相位變化、相位使能控制以及步進電機電流與參考電壓之間變化的波形圖。

通過mtd2009j可對步進電機實現非常理想的控制效果，尤其mtd2009j可以實現同時對兩個兩相步進電機的控制，使它在監控產品以及對速度和位置控制需要精確操作的領域得到了廣泛應用。

3 在智能一體化球型攝像機中的應用

智能一體化球型攝像機（簡稱快球）是集高清晰度彩色攝像機、萬向變速云臺、解碼器、變焦鏡頭和防護罩等部件及功能于一體的監控產品，它最大限度地減少了系統部件的連接，提高了系統的可靠性；同時也便于安裝和維護，具有外形美觀，輕巧靈便，操作簡單等優點。

智能一體化球型攝像機的一項重要技術指標是轉速指標，它首先要求要有較寬的速度范圍；其次，要求在恒速時要有較好的平穩性，尤其是在低速時，變速時要有較好的過渡性和較高的準確性；再者智能化一體化球型攝像機有預置點的功能，即設置預置點時的水平、垂直及鏡頭的位置在調用預置點時必須準確地定位。此智能化一體化球型攝像機的水平速度為0.05－250（°）/s，垂直速度為0.05－200（°）/s，多級變速，360度無限位旋轉，180度自動翻轉，每周細化為三百萬步，運轉平穩，抖動小，速度范圍智能匹配攝像機焦距，人性化操作，手感優異。

對于以上技術指標，此快球采用了當今處于領先地位的philips公司的32位arm lpc21388作為中央處理器，mtd2009j作為水平和垂直步進電機的驅動芯片，步進電機采用了兩相混合式步進電機，步距角為0.9°，采用ti公司的tlc5620數/模轉換芯片作為mtd2009j每相參考電壓的輸入，它可將參考電壓分為0－255份，為了提高快球的平穩性和準確性，對每一步進行了4096的細分，使此快球達到了極其優越的控制特性，參考電路如圖3所示。

由于步進電機按運行頻率工作時，啟動和停止各需要一個緩慢升頻和降頻的過程，因此啟動時，可在啟動頻率之下啟動步進電機，然后逐漸上升到運行頻率；停止時，先將頻率逐漸降低到啟動頻率以下才能停止，特別是負載轉動慣性較大時，該現象很明顯以致嚴重地影響到細分步進轉角的非線性和均勻旋轉的控制。另外由于步進電機的矩頻特性不理想，電磁轉矩隨輸入控制脈沖頻率的升高而減小，在速度較高或加速度較大時，步進電機在脈沖轉換時很容易引起失步，使得步進電機的動態性能變差，因此所控制的機械部件運動精度很低。為了克服以上缺點，本系統采用每個細分點對應于一個電流值。當細分數相當大時（例如本系統分成4096個點）電機繞組的電流信號就逼近模擬連續信號，這樣可以極大地提高步進電機的分辨率和運行穩定性，為了縮短系統的運行時間，采用查表方式，即將每個細分點對應的電流值以表格的形式存儲，運行時直接調用表格中的數據，從而提高了運行速度。

在運行控制方法采用了兩級速度比較運行的方法。系統中存在兩級速度：當前速度和目標速度。因為此系統是變速系統，在速度改變時要求系統必須平穩地過渡，此方法是：當系統收到變速指令時，首先將目標速度與當前速度相比較，并確定兩速度之間的范圍，以確定加速度的大小，若目標速度高于當前速度，則系統以較大的加速度加速運行，當接近目標速度時，系統減小加速度的值。逐漸靠近目標速度，直至相等，并以目標速度運行，直到再次收到變速指令。
圖4為變速運行流程圖。

系統水平方向細分驅動運行函數如下：




本系統在智能化一體化球型攝像機中取得了非常理想的效果。當攝像機鏡頭以220x變倍時，攝像機位置發生改變，圖像沒有任何抖動，預置點的調用也相當快速、準確，在整個安防行業獲得了非常好的評價，并遠銷海外，取得了很好的經濟效益和社會效益。

結語

本系統能滿足大多數中小微型步進電機的可變細分控制、較高細分步距角精度及平滑運行等要求，具有體積小、細分精度高、運行功耗低、可靠性高以及可維護性強等特點。

系統軟件功能豐富，通用性強，從而使控制系統更加靈活。