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l 引 言

直线步进是一种直线增量运动的电磁执行元件，是一种将输入脉冲转换成步进直线运动的机电装置。它具有在开环条件下，能直接提供**可靠的直线位移、速度和加速度控制，且能静态和动态定位，目前已在数控机械、计算机外设等精密驱动、精密控制领域得到广泛的应用。

直线的定位精度是一个十分重面的性能参数。直线步进电机可以用一般的脉冲信号来控制和驱动，但采用一般的脉冲信号，定位分辨率比较低，因此直线步进电动机主要采用细分电路提高定位分辨率。

2直线步进电机的控制系统

所设计的样机是二相混合式直线步进电动机，在绕组a和b分别通过正弦、余弦电流，步进电动机即能正常运行。整个控制系统可分成调频电路、细分电路、驱动电路、键盘显示电路、存储器扩展电路等部分，如图1所示。

根据混合式直线步进电机的控制特点，要求细分电路满足如下要求。

a．由形成频率可调、幅值可调的正弦和余弦信号。

b．频率范围为0．6～300hz。

c．在细分度允许的条件下，提高定位精度。

3细分电路的硬件设计

所介绍的细分电路是利用单片机i／d口每隔一定时间输出不同的数字量，该数字量分别为相应时刻的正弦函数值和余弦函数值，经d／a转换就得到正弦和余弦信号，由若干个数字量逼近的正、余弦信号，它的**度取决于正、余弦信号的细分度和d／a转换器的分辨率。所选择的细分度为100，d／a转换器的分辨率为10位，硬件图如图2所示。

图中仅画出一相输出，另一相输出硬件图基本相同，由于10位d／a转换器ad7520不带锁存器，故8031采用二次操作输出10位数据，先将高2位数据输到74ls74(1)，接着把低8位数据输出到74ls377，同时把74ils74(1)的内容传送到74ls74(2)，从而实现8031输出10位数据同时达到ad7520的数据输入线，通过改变ad7520的参考电压vref，可改变正、余弦信号的幅值。

为了能改变直线步进电机的速度，必须输出的正弦、余弦信号是一种频率可调的信号，采用adc0809将模拟量转换成数字量，并作8031定时器o的时间常数。设8031定时器0采用工作方式0，则时间常数为13位，低5位固定，高8位采用adc0809转换的数字量，通过改变ai)c0809的输入模拟量，改变adc0809输出的数字量，从而改变了定时时间常数，达到改变正弦、余弦信号频率的目的。

4细分电路的软件设计

为了节省cpu时间，对正弦、余弦信号的数字量，不是采用即时计算的方法确定，而

是预先经过计算，形成一个正弦函数表，存放在单片机的存储器中，通过查表形成正弦波，余弦波的形成只是在查表时相差90o。

一般，对于正弦、余弦信号的逼近，细分度和d／a转换器分辨率越高，定位精度就越高。但细分度越高，要求单片机速度越快，且d／a转换器的分辨率也受到价格和单片机速度的影响，根据样机的控制特点，选择细分度为100，d／a转换器分辨率为10位。

按细分度n=100，将正弦波一个周期分为100等份，则计算某一函数值的公式为：

式中 d——某一正弦函数值

n——细分度

n——取0～100

将此值转换为16进制数，加上偏移码，即得某一正弦函数的数字量，对于双极性的10位d／a转换器，偏移码为0200h，即此值ad7520双极性输出为零伏。正弦、余弦信号子程序框图如图3所示。

5结论

a．实验结果表明，采用查表形式，单片机能产生频率可调、幅值可调的正、余弦信号，方便地实现细分驱动及直线步进电机的速度控制。

b．由于采用较高分辨率的细分电路，使直线步进电动机定位精度得到提高，样机的定位精度达o．04mm

1引言

永磁步进通常要求测矩角特性。所谓矩角特性，即在一个步距角范围内，静力矩与角位移之间的关系。一般矩角特性的关系曲线如图1所示。

图1中θ为一个步距角。θ/2即曲线3处，静力矩，即曲线2.4处，静力矩*大。曲线1、2处和5、4处，为静力矩上升段；曲线2、3和4、3处，为静力矩下降段。可以看出，测量矩角特性并不简单，它不能用简单吊砝码方法进行测量。因吊砝码只能测试曲线的上升段，即图1曲线中的1-2段和5-4段（5-4段用反向吊砝码测试），此2处角位移增大，静力矩增大。但是，进入曲线下降段，即图1曲线中的2-3段和4-3段，此2处角位移增大，静力矩反而减小，吊砝码则无法找到平衡点，测试无法进行。为了测试静力矩的下降段，因必须将夹在力矩仪上进行。然而，这样角位移指示又很不方便，不像将电机夹在刻度盘上吊砝码测试简捷。

能否驭其二者和优点，找到一种两全其美的方法测试矩角特性，本文介绍的方法，则是为解决这一问题而设计的。

2测试原理

测试示意图如图2所示，它将电机外壳装夹在光学分度头上，电机轴上带一力矩盘，用拉线吊一超重砝码，压在秤台面上，电子秤显示出砝码的自重。所谓超重砝码，目的是要使选择的砝码重量，大于电机静力矩*大点拉线拉力的3倍。例如，若电机静力矩*大点拉线拉力为0. lkg，砝码重量则应选择标称值0. 3kg。这样选择的目的，是为了测试时，固定电机转轴不动，摇动光学分度头，只电机机壳转动，二者之间的角位移，便可准确地从光学分度头上读出来。与此同时，二者角位移产生时，静力矩产生，由于静力矩方向与砝码重力方向相反，静力矩的大小便可方便地从电子秤上砝码减轻的重量上自动显示出来，即实现自动平衡测试。静力矩上升段，砝码自动变轻；静力矩下降段，砝码又自动变重，直到静力矩等于零，砝码恢复原重。这样，便克服了单独吊砝码静力矩超过*大点无法平衡的问题。例如，静力矩上升段某点拉线拉力为0. 05kg，砝码自重0.2kg，电子秤上显示砝码读数则为0. 15kg。静力矩下降段，因砝玛重力与拉线拉力自动平衡，各点的静力矩，仍然同上升段一样，从电子秤上减轻的砝码重量上显示出来。角位移为o点，静力矩为o，电子秤则显示砝码的自重0. 2kg。

3测试实例

以步距角为909的永磁步进电机矩角特性测试为例，测试电压5v，*大静力矩0.013 6nm，力矩盘半径2cm，选择砝码自重0.2kg。表1是一个步距内00～450的矩角特性和各点测试数据。450～900因需反向吊砝码测试，且测试方法同正向一样，故未列出。

表1中各点静力矩为拉线拉力乘力矩盘半径2cm。拉线拉力等于砝码自重0.2kg减去电子秤读数。由表1数据可画出该电机的矩角特性，如图3所示

可知，用该法测量静力矩的下降段、准确、可靠。

4应注意的问题

(1) 00位置的确定。该法在拉线无拉力酌情况下，摇动光学分度头，转轴同机壳是一起旋转的。因此，在确定o。位置时，应观察电子秤上砝码自重的变化情况。00位置，光学分度头稍一摇动，电子秤上砝码会自重变轻i退回，砝码恢复自重，读出此点光学分度头上的度数，记为角位移的00。此后便可从o。开始加大角位移，进行各点测试。

(2)砝码重量的选择。砝码自重的选择，建议选择大于拉线拉力的3倍。这是因为，砝码越重，在拉力作用下位移越小。如果砝码自重稍大于拉线拉力，在静力矩*大点处，则会出现混乱，电子秤读数不准确。如笔者在进行上述电机测试时，静力矩*大点拉线拉力为0. 068kg，开始选择自重0.lkg砝码测试，则出现上述混乱现象，后选择自重0. 2kg砝码，才得到满意结果。

5结语

优点从上面叙述中已经知道，缺点是该法光学分度头输出轴上要承受力矩，这对精密的分度装置不利。不过，静力矩小于0. 02nm，不会对分度头产生多大影响，静力矩大于0. 02nm的电机，则不宜用上法测试。为了解决这一问题，也可采用同样的电子秤方法，将电机夹在刻度盘上进行，机壳上带一指针，转动机壳，便可在刻度盘上指示角位移。只是角位移指示准确度比光学分度头差。但角位移准确度不一定要求很商，它只须观察静力矩在整个角位移范围内的变化即可。由此可见，当静力矩较大时，也可降低电压，减小静力矩，仍可夹在光学分度头上进行测试。