步进电机细分驱动在扫平仪整平系统中的应用

王建勇

（常州华达科捷光电仪器有限公司，江苏常州 213023）

0 引言

激光扫平仪的自动整平系统是扫平仪中重要的一部分，自动整平的速度和精度会直接影响扫平仪的整机精度和工作效率。整平系统一般由水平传感器、电机驱动及传动部分组成。MCU根据水平传感器的状态，驱动电机调整仪器状态。在仪器接近水平状态时，要求电机以极低的速度运行，以减少来回摆动的次数达到快速整平。但是，步进电机的常规驱动方式不能达到上述要求，从而限制了扫平仪的整平速度和精度。因此，本文提出了一种基于软件算法的改良方案，通过软件实现步进电机绕组电流的细分，解决常规驱动的缺点，实现扫平仪快速、高精度的整平。

1 步进电机概述

1.1 扫平仪整平系统工作原理

扫平仪整平系统框图如图1所示。

图1 扫平仪整平系统框

从图1可以看出，扫平仪的整平系统是一个闭环的控制系统。其工作过程为：MCU通过读取水平传感器的信号→判断仪器的状态→控制电机→仪器状态改变→MCU再次读取传感器信号，如此循环，直到仪器处于水平状态。从工作过程可以看出，要保证整平速度，就要求在仪器倾斜角度过大时，要求电机以较快的速度驱动传动机构，在仪器接近水平时，要降低步进电机的速度，以降低因整平系统超调导致仪器来回摆动的现象。这就要求MCU根据传感器的信号，实时调整电机的速度，并对步进电机进行细分驱动。

1.2 细分驱动原理

步进电机常规驱时各绕组的电流变化如图2（a）所示，电机每走一步，绕组电流会从0突然变化到最大相电流，然后从最大相电流突然变化到0。这种电流的突变不符合步进电机矩频特性的规律，会引起电机的抖动和噪声。

细分驱动的目的就是将电流的突变转变为符合步进电机矩频特性规律的变化，即将绕组电流的变化细分为n步来完成，消除由于绕组电流的突变引起的电机抖动和噪声，同时降低电机的步进角度。图2（b）所示细分后绕组电流变化，根据该曲线对每一微步的电流值进行量化，通过MCU查表方式来控制电机的绕组电流，实现电机的软件细分。

2 整平系统程序设计

2.1 细分驱动程序设计

首先画出符合步进电机矩频特性的绕组电流曲线，根据细分数确定步进电机相序与电流值的对应表，然后通过实验得到量化后的电流值对应的PWM控制值，做出对应表存入MCU的片内EEPROM中。

步进电机按一定的相序通电，就可以实现正转，反转。通过当前的相序值，查询EEPROM中对应的PWM控制值，就实现了电机的电流细分驱动，其流程图见图3。

图2 步进电机细分前后绕组电流变化图

图3 细分驱动流程图

图4 整平系统程序流程图

2.2 整体程序设计

在整平系统程序中，MCU循环读取水平传感器的数据，如果仪器已经整平，则返回继续读取数据。一旦发现仪器倾斜，判断倾斜方向并计算倾斜的角度范围、转动方向、速度和转动角度，然后再返回继续读取水平传感器数据，一直到仪器整平。整平系统程序流程图如图4所示。

3 结语

本文提出并实现的一种基于软件算法的步进电机的细分方法在扫平仪中的应用，在不改动现有产品的硬件电路的情况下，通过软件算法对扫平仪的整平系统进行改良，实际测试证明，该方法可以有效地改善扫平仪的整平速度和精度，且具有很好的稳定性。