基于MCU和DSP的步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)

圖3：雙相6極電機(jī)

最后，我們?cè)僖淮吻袛嗬@組2中的電流，并給繞組1輸送如圖2a所示的電流，這樣，轉(zhuǎn)子又會(huì)回到原來(lái)的位置。

至此，我們對(duì)電機(jī)繞組完成了一個(gè)周期的電激勵(lì)，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一整圈。也就是說(shuō)，電機(jī)的電頻率等于它轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械頻率。

如果我們用1秒鐘順序完成了圖2所示的這4個(gè)步驟，那么電機(jī)的電頻率就是1Hz。其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一周，因而其機(jī)械頻率也是1Hz。總之，一個(gè)雙相步進(jìn)電機(jī)的電頻率和機(jī)械頻率之間的關(guān)系可以用下式表示：

fe=fm*P/2 (1)

其中，fe代表電機(jī)的電頻率，fm代表其機(jī)械頻率，而P則代表電機(jī)轉(zhuǎn)子的等距磁極數(shù)。

從圖2中我們還可以看出，每一步操作都會(huì)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90°，也就是說(shuō)，一個(gè)雙相步進(jìn)電機(jī)每一步操作造成的旋轉(zhuǎn)度數(shù)可由下式表示：

1 step= 180°/P (2)

由等式(2)可知，一個(gè)雙極電機(jī)每動(dòng)作一次可以旋轉(zhuǎn)180°/2=90°，這與我們?cè)趫D2中看到的情形正好相符。此外，該等式還表明，電機(jī)的磁極數(shù)越多，步進(jìn)精度就越高。常見(jiàn)的是磁極數(shù)在12和200個(gè)之間的雙相步進(jìn)電機(jī)，這些電機(jī)的步進(jìn)精度在15°和 0.9°之間。

圖4：同時(shí)激勵(lì)電機(jī)的兩個(gè)繞組

圖3給出的例子是一個(gè)雙相、6極步進(jìn)電機(jī)，其中包含3個(gè)永久磁鐵，因而有6個(gè)磁極。第一步，如圖3a所示，我們給繞組1施加電壓，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向其頂部的磁場(chǎng)，于是，轉(zhuǎn)子的南極(圖3a中紅色的“S”一端)轉(zhuǎn)向了該圖的上方。接著，在圖3b中，我們給繞組2施加電壓，定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向其左側(cè)的磁場(chǎng)。于是，轉(zhuǎn)子的一個(gè)距離最近的南極轉(zhuǎn)向了圖的左方，即轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)了30°。第三步，在圖3c中，我們又向繞組1施加一個(gè)電壓，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向圖下方的磁場(chǎng)，從而又使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°到達(dá)圖3c所示的位置。而在圖3d中，我們給繞組2施加電壓，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向定子右側(cè)的磁場(chǎng)，再一次使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°，到達(dá)圖3d所示的位置。最后，我們?cè)傧蚶@組1施加電壓，產(chǎn)生一個(gè)如圖3a所示的北極指向定子上方的磁場(chǎng)，使得轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°，結(jié)束一個(gè)電周期。如此可以看出，4步電激勵(lì)造成了120°的機(jī)械旋轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)，該電機(jī)的電頻率是機(jī)械頻率的3倍，這一結(jié)果符合等式(1)。此外，我們從圖3和等式(2)也能看出，該電機(jī)的轉(zhuǎn)子每一步旋轉(zhuǎn)30°。

圖5：可用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)每個(gè)繞組的H橋電路

如果同時(shí)向兩個(gè)繞組輸送電流，還能增大電機(jī)的扭矩，如圖4所示。這時(shí)，電機(jī)定子的磁場(chǎng)是兩個(gè)繞組各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)的矢量和，雖然這一磁場(chǎng)每一次動(dòng)作仍然只使電機(jī)旋轉(zhuǎn)90°，就象圖2和圖3中一樣，但因?yàn)槲覀兺瑫r(shí)激勵(lì)兩個(gè)電機(jī)繞組，所以此時(shí)的磁場(chǎng)比單獨(dú)激勵(lì)一個(gè)繞組時(shí)更強(qiáng)。由于該磁場(chǎng)是兩個(gè)垂直場(chǎng)的矢量和，因此它等于單獨(dú)每個(gè)場(chǎng)的2×1.414倍，從而電機(jī)對(duì)其負(fù)載施加的扭矩也成正比增大。

電機(jī)的激勵(lì)順序

既然我們知道了一系列激勵(lì)會(huì)使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，接下來(lái)就要設(shè)計(jì)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的步進(jìn)序列。一塊能讓電機(jī)動(dòng)起來(lái)的硬件(或結(jié)合了硬件和軟件的一套設(shè)備)就叫做電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

從圖4中可以看出我們?cè)鯓蛹?lì)雙相電機(jī)的繞組才能使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，圖中，電機(jī)內(nèi)的繞組抽頭分別被標(biāo)為1A、1B、2A和2B。其中，1A和1B是繞組1的兩個(gè)抽頭，2A和2B則是繞組2的兩個(gè)抽頭。

首先，要給腳1B和2B施加一個(gè)正電壓，并將1A和2A接地。然后，給腳1B和2A施加一個(gè)正電壓，而將1A和2B接地，這一過(guò)程其實(shí)取決于導(dǎo)線繞齒槽纏繞的方向，假設(shè)導(dǎo)線纏繞的方向與上一節(jié)所述相符。依次進(jìn)行下去，我們就得到了表1中總結(jié)的激勵(lì)順序，其中，“1”表示正電壓，“0”表示接地。

電流在電機(jī)繞組中有兩種可能的流向，這樣的電機(jī)就叫做雙極電機(jī)和雙極驅(qū)動(dòng)序列。雙極電機(jī)通常由一種叫做H橋的電路驅(qū)動(dòng)，圖5給出了連接H橋和步進(jìn)電機(jī)兩根抽頭的電路。H橋通過(guò)一個(gè)電阻連接到一個(gè)電壓固定的直流電源(其幅度可根據(jù)電機(jī)的要求選取)，然后，該電路再經(jīng)過(guò)4個(gè)開(kāi)關(guān)(分別標(biāo)為S1、S2、S3和S4)連接到繞組的兩根抽頭。這一電路的分布看起來(lái)有點(diǎn)象一個(gè)大寫字母H，因此叫做H橋。

圖6

從表1中可以看出，要激勵(lì)該電機(jī)，第一步應(yīng)將抽頭2A設(shè)為邏輯0，2B設(shè)為邏輯1，于是，我們可以閉合開(kāi)關(guān)S1和S4，并斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2和S3。接著，需要將抽頭2A設(shè)為邏輯1，2B設(shè)為邏輯0，于是，我們可以閉合S2、S3，并斷開(kāi)S1和S4。與此類似，第三步我們可以閉合S2、S3并斷開(kāi)S1和S4，第四步則可以閉合S1、S4并斷開(kāi)S2、S3。

對(duì)繞組1的激勵(lì)方法也不外乎如此，使用一對(duì)H橋就能產(chǎn)生需要的激勵(lì)信號(hào)序列。表2所示就是激勵(lì)過(guò)程中每一步開(kāi)關(guān)所在的位置。

圖7：?jiǎn)螛O電機(jī)的控制電路

注意，如果R=0，而開(kāi)關(guān)S1和S3又不小心同時(shí)閉合，那么流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流將達(dá)到無(wú)窮大。這時(shí)，不但開(kāi)關(guān)會(huì)被燒壞，電源也可能損壞，因此電路中使用了一個(gè)非零阻值的電阻。盡管這個(gè)電阻會(huì)帶來(lái)一定的功耗，也會(huì)降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的效率，但它可以提供短路保護(hù)。