探析步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動在降低打印機(jī)起步壓縮度中的應(yīng)用

摘要：通過控制步進(jìn)電機(jī)中多相繞組中的電流，使其維持一定的上升或下降頻率，從而在零電流與最大電流之間形成多個穩(wěn)定的中間電流，實現(xiàn)細(xì)分布局旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動方式，應(yīng)用于降低打印機(jī)起步壓縮度時，具備較大的可行性。本文對步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動及其應(yīng)用于降低打印機(jī)起步壓縮度的控制算法進(jìn)行介紹，以供參考。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī);細(xì)分驅(qū)動技術(shù);起步壓縮度;細(xì)分布局旋轉(zhuǎn)

0.??? 引言

步進(jìn)電機(jī)是指將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛘呔€位移的一種開環(huán)控制元件。在正常情況下（不出現(xiàn)超載情況），流經(jīng)電機(jī)電脈沖信號的頻率、脈沖數(shù)，可以不受負(fù)載變化的影響，直接決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及停止位置。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)源于20世紀(jì)70年代中期，能夠改進(jìn)步進(jìn)電機(jī)的綜合性能，提升控制效率。

1.??? 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)簡介

1.1? 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡述

現(xiàn)代步進(jìn)電機(jī)基于嵌入式微處理器，通過獨(dú)立的PWM（即脈沖寬度調(diào)制，經(jīng)由微處理器的數(shù)字輸出，對模擬電路進(jìn)行全面控制）模塊，對步進(jìn)電機(jī)中獨(dú)立產(chǎn)生的多路電機(jī)信號進(jìn)行精確控制。與傳統(tǒng)控制模式的區(qū)別在于，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動與針對性、功能性控制模式無需借助及其復(fù)雜的程序算法，在大框架不變的情況下，可以通過脈寬調(diào)制與功能調(diào)用，完成對電機(jī)的控制。其主要結(jié)構(gòu)如下：首先，控制系統(tǒng)包含四項組成部分，即步進(jìn)電機(jī)、細(xì)分驅(qū)動電路、以微處理器（以PLC可編程邏輯為代表）構(gòu)成的專用控制電路、嵌入式工控系統(tǒng)。其中，電機(jī)作為受控端，依次接受來自其他三個模塊的指令，從而完成各項功能。其次，嵌入式工控系統(tǒng)中將特定的運(yùn)動方式，通過程序算法的形式完成設(shè)定，進(jìn)而將運(yùn)動方式傳遞至以微處理器構(gòu)成的專用控制電路，在復(fù)位的同時，完成初始化作業(yè)。最后，控制信號輸出方向、系統(tǒng)啟動、控制PWM均有控制電路傳遞至步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路，并將多相電流傳至電機(jī)，實現(xiàn)系統(tǒng)各項功能。

1.2? 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動控制理論模型構(gòu)建方式

在步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的過程中，影響控制精度的核心問題在于，驅(qū)動頻率可能達(dá)到甚至超過20kHz。根據(jù)脈沖控制的一般規(guī)律，高頻率脈沖信號盡管有助于降低驅(qū)動電路系統(tǒng)中的噪聲等干擾項，但步進(jìn)電機(jī)也會同時受到高頻率信號的沖擊，導(dǎo)致失步現(xiàn)象。因此，為了避免高頻率的影響，盡可能地減少或或完全避免失步現(xiàn)象，需要構(gòu)建理論模型，對步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的控制過程進(jìn)行調(diào)整。具體形式為：（1）設(shè)定步進(jìn)電機(jī)加減速度的模式（針對勻速時間為0的情況展開分析），使電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)處于“整體加速階段，脈沖信號每輸出一次后，定時器記錄信息值增加‘1”的狀態(tài)。此時，定時器記錄值為tn，脈沖信號周期為Tn，脈沖頻率為f（nn表示加速脈沖）。電機(jī)控制系統(tǒng)驟然啟動時的速度為0，將定時器的初始值設(shè)定為D0。當(dāng)系統(tǒng)整體處于加速階段的第一個脈沖周期時，上述參數(shù)相互之間的關(guān)系和取值情況為：

Tn=Dn/f0，此時的tn取值為0。????? （1）

進(jìn)入第二個脈沖周期后時，控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式受到細(xì)分驅(qū)動程序算法的影響，轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

Tn=（Dn-β）/fn，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，得出Tn=T1-（n-1）β/f（01）（2）

此時可以對脈沖時間進(jìn)行如下定義：

tn=T1+T2+……+Tn-1?????? （3）

經(jīng)過變換后，得出tn=（n-1）T1-（n-1）（n-2）·β/2f0?? （4）

此時的脈沖頻率Tn=1/fn=T1-（n-1）β/f0?? （5）

當(dāng)脈沖時間、脈沖頻率得到確認(rèn)之后，對兩項參數(shù)進(jìn)行簡化，得出兩者之間的關(guān)系為：

由此可見，當(dāng)脈沖信號速度不斷降低時，脈沖頻率也會隨之減小，從而達(dá)到細(xì)分驅(qū)動控制的目的[1]。

2.??? 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)在降低打印機(jī)起步壓縮度中的具體應(yīng)用

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用于打印機(jī)起步壓縮度降低時，可以采用常規(guī)的PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動技術(shù)，利用晶體管的開關(guān)特性（有效降低發(fā)熱強(qiáng)度），并將脈沖信號的占空比控制在理想?yún)^(qū)間內(nèi)。基于PWM的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動控制原理為，DSP控制芯片輸出PWM脈沖信號，驅(qū)動放大電路運(yùn)轉(zhuǎn)，控制步進(jìn)電機(jī)完成轉(zhuǎn)動。基于上述思路，設(shè)置降低打印機(jī)起步壓縮度的程序算法時，可以基于多種控制函數(shù)曲線（如直線型、指數(shù)遞增型、階梯型和S變換型等），依照相似的原理，實現(xiàn)有關(guān)功能。總體思路為：首先，DPS處理器模塊與細(xì)分控制集成電路模塊完成程序算法的監(jiān)督與運(yùn)轉(zhuǎn)，避免出現(xiàn)干擾信號;其次，兩個D/A轉(zhuǎn)換電路模塊分別與電流比較電路（與A、B兩相繞組電流采集電路模塊相連）形成循環(huán)控制模式;最后，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)集中控制A相、B相繞組，經(jīng)由H橋驅(qū)動模塊，接受來自細(xì)分控制集成電路模塊傳遞而來的控制信息，將反饋結(jié)果經(jīng)由各自的電流采樣電路，傳遞回細(xì)分控制集成電路模塊，實現(xiàn)循環(huán)控制過程[2]。

基于上述控制方式，對步進(jìn)電機(jī)脈沖信號的各項參數(shù)進(jìn)行詢問式判定，最終項為“脈沖信號目標(biāo)速度是否與當(dāng)前速度維持一致”，如果給出的回答為“是”，則說明打印機(jī)起步壓縮度控制子程序的功能已經(jīng)完全實現(xiàn)。此時，將示波器與打印機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)相連接，顯示出的波形較為穩(wěn)定，能夠維持規(guī)律性的正弦變化，且在最終打印出的結(jié)果顯微圖中，各字符的分布十分均勻。

3.??? 結(jié)語

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的核心原理在于，為步進(jìn)電機(jī)的多相勵磁繞組輪流給予電流，使電機(jī)內(nèi)部自帶的磁場合成方向出現(xiàn)定向變化，進(jìn)而帶動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。在單片機(jī)控制模式大行其道的年代，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動控制更加便利，應(yīng)用于打印機(jī)控制時，能夠有效降低其起步壓縮度，從而提升打印精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]?? 伍艷雄，黃勇，高林，等.步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].湖北民族學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，37（4）：458-462.

[2]?? 朱承志.基于THB7128驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用電路設(shè)計[J].科技風(fēng)，2020，（17）：119，124.

作者簡介：

陶新星（1986年7月），男，浙江嘉興人，本科，工程師，機(jī)械設(shè)計開發(fā).