【導讀】步進電機在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應用。它可以把脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移,并且可用作電磁制動輪、電磁差分器、或角位移發(fā)生器等。有時從一些舊設備上拆下的步進電機(這種電機一般沒有損壞)要改作它用,一般需自己設計驅(qū)動器。本文著重給大家介紹下步進電機的工作原理及電路設計方法。
1. 步進電機的工作原理
該步進電機為一四相步進電機,采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電,就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。
圖1 四相步進電機步進示意圖
開始時,開關SB接通電源,SA、SC、SD斷開,B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊,同時,轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒,2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。
當開關SC接通電源,SB、SA、SD斷開時,由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒,2、5號齒就和A、D相繞組磁極
產(chǎn)生錯齒。依次類推,A、B、C、D四相繞組輪流供電,則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。
四相步進電機按照通電順序的不同,可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等,但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。
單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.a、b、c所示:
圖2.步進電機工作時序波形圖
圖3 步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)電路原理圖
AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4~P1.7輸出,經(jīng)74LS14反相后進入9014,經(jīng)9014放大后控制光電開關,光電隔離后,由功率管TIP122將脈沖信號進行電壓和電流放大,驅(qū)動步進電機的各相繞組。使步進電機隨著不同的脈沖信號分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止等動作。圖中L1為步進電機的一相繞組。AT89C2051選用頻率22MHz的晶振,選用較高晶振的目的是為了在方式2下盡量減小AT89C2051對上位機脈沖信號周期的影響。
圖3中的RL1~RL4為繞組內(nèi)阻,50Ω電阻是一外接電阻,起限流作用,也是一個改善回路時間常數(shù)的元件。D1~D4為續(xù)流二極管,使電機繞組產(chǎn)生的反電動勢通過續(xù)流二極管(D1~D4)而衰減掉,從而保護了功率管TIP122不受損壞。
在50Ω外接電阻上并聯(lián)一個200μF電容,可以改善注入步進電機繞組的電流脈沖前沿,提高了步進電機的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯(lián)的200Ω電阻可減小回路的放電時間常數(shù),使繞組中電流脈沖的后沿變陡,電流下降時間變小,也起到提高高頻工作性能的作用。
2.軟件設計
該驅(qū)動器根據(jù)撥碼開關KX、KY的不同組合有三種工作方式供選擇:
方式1為中斷方式:P3.5(INT1)為步進脈沖輸入端,P3.7為正反轉(zhuǎn)脈沖輸入端。上位機(PC機或單片機)與驅(qū)動器僅以2條線相連。
方式2為串行通訊方式:上位機(PC機或單片機)將控制命令發(fā)送給驅(qū)動器,驅(qū)動器根據(jù)控制命令自行完成有關控制過程。
方式3為撥碼開關控制方式:通過K1~K5的不同組合,直接控制步進電機。
當上電或按下復位鍵KR后,AT89C2051先檢測撥碼開關KX、KY的狀態(tài),根據(jù)KX、KY 的不同組合,進入不同的工作方式。以下給出方式1的程序流程框圖與源程序。
在程序的編制中,要特別注意步進電機在換向時的處理。為使步進電機在換向時能平滑過渡,不至于產(chǎn)生錯步,應在每一步中設置標志位。其中20H單元的各位為步進電機正轉(zhuǎn)標志位;21H單元各位為反轉(zhuǎn)標志位。在正轉(zhuǎn)時,不僅給正轉(zhuǎn)標志位賦值,也同時給反轉(zhuǎn)標志位賦值;在反轉(zhuǎn)時也如此。這樣,當步進電機換向時,就可以上一次的位置作為起點反向運動,避免了電機換向時產(chǎn)生錯步。
圖4 方式1程序框圖
3.步進電機細分驅(qū)動電路
為了對步進電機的相電流進行控制,從而達到細分步進電機步距角的目的,人們曾設計了很多種步進電機的細分驅(qū)動電路。隨著微型計算機的發(fā)展,特別是單片計算機的出現(xiàn),為步進電機的細分驅(qū)動帶來了便利。目前,步進電機細分驅(qū)動電路大多數(shù)都采用單片微機控制。單片機根據(jù)要求的步距角計算出各相繞組中通過的電流值,并輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DPA) 中,由DPA 把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應的模擬電壓,經(jīng)過環(huán)形分配器加到各相的功放電路上,控制功放電路給各相繞組通以相應的電流,來實現(xiàn)步進電機的細分。單片機控制的步進電機細分驅(qū)動電路根據(jù)末級功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開關型兩種(見下圖5)。
圖5 步進電機細分驅(qū)動電路