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Signal Processing簡稱DSP技術(shù)采用內(nèi)置微細分技術(shù)即使在低細分的條件下也能夠達到高細分的效果低中高速 運行都很平穩(wěn)噪音小。驅(qū)動器內(nèi)部集成了參數(shù)自動整定功能能夠針對不同電機自動生成最優(yōu)運行參數(shù)且具有過壓、欠壓、短路保護等保護功能。3.電氣指標及環(huán)境參數(shù)步進電機常用的電氣指標有輸出電流峰值、輸入電源電壓、控制信號輸入電流、步進脈沖頻率及絕緣電阻等以DM542為例其電氣指標如下圖所示。電機驅(qū)動的環(huán)境參數(shù)通常包括溫濕度、振動及粉塵等以DM542為例其環(huán)境參數(shù)如下圖所示。二、細分驅(qū)動工作原理細分驅(qū)動實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)其主要目的是提高電機的運轉(zhuǎn)性能實現(xiàn)步進電機步距角的高精度細分。細分驅(qū)動的優(yōu)點有因減少每一步所走過的步距角提高步距均勻度進而提高控制精度減少電機振動低頻振蕩是步進電機的固有特性用細分是消除它的最好方法減少轉(zhuǎn)矩脈動提高輸出轉(zhuǎn)矩。步進電機驅(qū)動器可將控制電路發(fā)出的脈沖信號進一步細分大幅提高驅(qū)動精度該功能稱為“細分”。步進電機驅(qū)動器內(nèi)部主要由環(huán)形分配單元及功率驅(qū)動單元兩部分組成其驅(qū)動原理如下圖所示。1.環(huán)形分配單元又稱環(huán)分器或脈沖分配單元主要功能是把來源于控制環(huán)節(jié)下位機的時鐘脈沖串按一定的規(guī)律分配給步進電動機驅(qū)動器的各相輸入端。環(huán)形分配器的輸出既是周期性的又是可逆的。環(huán)形分配單元既可以通過硬件實現(xiàn)也可以通過軟件實現(xiàn)。硬件環(huán)形分配的基本結(jié)構(gòu)為觸發(fā)器其個數(shù)與步進電機相數(shù)相同而軟件環(huán)形分配是通過編程的方式生成控制表。以兩相四拍驅(qū)動兩相步進電機為例設(shè)單序列脈沖為?x當其輸入環(huán)形分配單元后?x可被分頻為?A與?B兩路輸出脈沖二者分別對應(yīng)步進電機的A相繞組與B相繞組。當輸出端輸出?A步進電機A相繞組通電當輸出端輸出?B則步進電機B相繞組通電圖2.7即為兩相四拍驅(qū)動方式下?x、?A與?B的波形圖。以DM542為例采用八位撥碼開關(guān)設(shè)定細分精度、動態(tài)電流、靜止半流以及實現(xiàn)電機參數(shù)和內(nèi)部調(diào)節(jié)參數(shù)的自整定。撥碼開關(guān)的詳細描述如下圖所示。撥碼開關(guān)各位意義撥碼開關(guān)實物圖其細分設(shè)定表如下所示。2.功率驅(qū)動單元當?shù)玫竭m當?shù)拿}沖波形后需對其進行放大后驅(qū)動電機常用的有功率MOS管組成的H橋電路。三、下位機、驅(qū)動器與電機的連接方式1.控制信號接口PUL為脈沖控制信號脈沖上升沿有效;PUL-高電平時4~5V低電平時0~0.5V。為了可靠響應(yīng)脈沖信號脈沖寬度應(yīng)大于12μs。如采用12V或24V時需串電阻。DIR為高/低電平信號為保證電機可靠換向方向信號應(yīng)先于脈沖信號至少5us建立。電機的初始運行方向與電機的接線有關(guān)互換任一相繞組(如 A、A-交換)可以改變電機初始運行的方向DIR-高電平時4~5V低電平時0~0.5V。ENA為使能信號用于使能或禁止。ENA 接5VENA-接低電平或內(nèi)部光耦導(dǎo)通時驅(qū)動器將切斷電機各相的電流使電機處于自由狀態(tài)此時步進脈沖不被響應(yīng)。當不需用此功能時使能信號端懸空即可。2.強電接口GND為直流電源地V為直流電源正極A、B分別為A、B相的線圈。四、步進電機選配方法選擇電機時主要由電機的扭矩和額定電流決定。扭矩大小主要由電機尺寸決定。尺寸大的電機扭矩較大而電流大小主要與電感有關(guān)小電感電機高速性能好但電流較大。1.電機選配1負載轉(zhuǎn)矩其中J負載的轉(zhuǎn)動慣量ε負載的最大角加速度 C安全系數(shù)推薦值 1.2-1.4T_負載最大負載轉(zhuǎn)矩包括有效負載、摩擦力、傳動效率等阻力轉(zhuǎn)矩。2轉(zhuǎn)矩影響因素對于給定的步進電機與線圈接法輸出轉(zhuǎn)矩有以下特點電機實際電流越大輸出轉(zhuǎn)矩越大但電機銅損PI^2R越多電機發(fā)熱偏多驅(qū)動器供電電壓越高電機高速扭矩越大由步進電機的矩頻特性圖可知高速比中低速扭矩小。力矩—轉(zhuǎn)速特性圖如下所示2.電機接線方法對于 6、8 線步進電機不同線圈的接法電機性能有相當大的差別如下圖所述3. 供電電壓與輸出電流的選定1供電電壓的選擇一般來說供電電壓越高電機高速時力矩越大。越能避免高速時掉步。但另一方面電壓太高會導(dǎo)致過壓保護電機發(fā)熱較多甚至可能損壞驅(qū)動器。在高電壓下工作時電機低速運動的振動會大一些。2輸出電流的設(shè)定對于同一電機電流設(shè)定值越大時電機輸出力矩越大但電流大時電機和驅(qū)動器的發(fā)熱也比較嚴重。具體發(fā)熱量的大小不僅與電流設(shè)定值有關(guān)也與運動類型及停留時間有關(guān)。以下的設(shè)定方式采用步進電機額定電流值作為參考但實際應(yīng)用中的最佳值應(yīng)在此基礎(chǔ)上調(diào)整。原則上如溫度很低40℃則可視需要適當加大電流設(shè)定值以增加電機輸出功率力矩和高速響應(yīng)。四線電機輸出電流設(shè)成等于或略小于電機額定電流值六線電機高力矩模式輸出電流設(shè)成電機單極性接法額定電流的 50%六線電機高速模式輸出電流設(shè)成電機單極性接法額定電流的 100%八線電機串聯(lián)接法輸出電流可設(shè)成電機單極性接法額定電流的 70%八線電機并聯(lián)接法輸出電流可設(shè)成電機單極性接法額定電流的 140%。五、步進電機驅(qū)動機械臂關(guān)節(jié)的編程實現(xiàn)對同一個步進電機而言末端執(zhí)行器由初始位姿變換至不同的目標位姿時其旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)速度及旋轉(zhuǎn)角度通常不同。并且在變換的過程中電機轉(zhuǎn)速也不是恒定的變換初期電機加速旋轉(zhuǎn)變換中期電機勻速旋轉(zhuǎn)變換末期電機減速旋轉(zhuǎn)。為確保關(guān)節(jié)正確旋轉(zhuǎn)以及末端執(zhí)行器能以穩(wěn)定的軌跡到達期望位姿必須對驅(qū)動各關(guān)節(jié)的步進電機進行精確的控制。本文選擇以AT mega 2560為核心的Arduino下位機和兩種型號的步進電機驅(qū)動器完成對步進電機的控制相關(guān)代碼燒錄于下位機中下表列出了控制1號電機的Arduino程序中所用到的主要變量名稱及含義。1號電機控制程序中主要變量名稱及含義序號名稱含義1ACCStep加速運動步數(shù)2DCCStep減速運動步數(shù)3J1step1號電機旋轉(zhuǎn)步數(shù)4AdjSpeed機械臂速度參數(shù)5J1caldir1號電機旋轉(zhuǎn)方向6J1rotdir1號電機旋轉(zhuǎn)方向標識7J1stepPin1號電機脈沖控制引腳8J1dirPin1號電機方向控制引腳以關(guān)節(jié)1的控制為例關(guān)節(jié)1的旋轉(zhuǎn)方向由1號電機方向控制引腳J1dirPin控制當引腳為高電平時電機反轉(zhuǎn)低電平時電機正轉(zhuǎn)。方向控制引腳J1dirPin 的電平由J1caldir與J1rotdir共同決定。其中J1rotdir由電機驅(qū)動的型號決定J1caldir由上位機的運算結(jié)果決定。關(guān)節(jié)1的旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)節(jié)是通過延時函數(shù)delayMicroseconds()以及機械臂速度參數(shù)AdjSpeed實現(xiàn)的參數(shù)增大延時時間增長關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度降低參數(shù)減小延時時間減少關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度增加。關(guān)節(jié)1的旋轉(zhuǎn)角度由加速運動步數(shù)ACCStep、減速運動步數(shù)DCCStep及1號電機旋轉(zhuǎn)步數(shù)J1step確定。