步进电机实例

步 进 电 机 控 制 例 子我 们 使 用 的 单 极 四 相 步 进 电 机 为 例 。 其 结 构 如 图 1： 四 个 绕 组 引 出 四 相 (相 A1 相 A2 相 B1 相 B2)和 两 个 公 共 线 (接 到 电 源 的正 极 )。 把 绕 组 的 某 一 相 接 到 电 源 的 地 线 。 这 样 该 绕 组 就 会 受 到 激 励 。 我 们采 用 四 相 八 拍 的 控 制 方 式 ， 即 1 相 与 2 相 交 替 导 通 ， 这 样 可 提 高 分 辨 率 。每 一 步 可 转 0.9控 制 电 机 正 转 的 励 磁 顺 序 如 下 表 ： 若 要 求 电 机 反 转 ， 将 励 磁 信 号 倒 过 来 传 送 即 可 。 2 控 制 方 案 控 制 系 统 的 框 图 如 下 本 方 案 采 用 AT89S51 作 为 主 控 制 器 件 。 它 与 AT89C51 兼 容 ， 同 时 还 增加 了 SPI 接 口 和 看 门 狗 模 块 ， 这 不 但 使 程 序 调 试 变 得 方 便 而 且 也 使 程 序 运 行更 加 稳 定 。 在 方 案 中 该 单 片 机 主 要 实 现 现 场 信 号 的 采 集 并 计 算 出 步 进 电 机 运转 的 方 向 和 速 度 信 息 。 然 后 传 送 给 CPLD。 CPLD 采 用 EPM7128SLC84-15， EPM7128 是 可 编 程 的 大 规 模 逻 辑 器 件 ， 为ALTERA 公 司 的 MAX7000 系 列 产 品 。 具 有 高 阻 抗 、 电 可 擦 等 特 点 ， 可 用 单 元为 2500 个 ， 工 作 电 压 为 +5V。 CPLD 接 收 到 单 片 机 发 送 过 来 的 信 息 后 ， 转 换成 对 应 的 控 制 信 号 输 出 给 步 进 电 机 驱 动 器 。 驱 动 器 则 把 控 制 信 号 处 理 后 输 入电 机 绕 组 ， 实 现 了 电 机 的 有 效 控 制 。 2.1 电 机 驱 动 器 硬 件 结 构 电 机 的 驱 动 器 采 用 如 下 电 路 ： 其 中 R1-R8 的 电 阻 值 为 320 。 R9-R12 的 电 阻 值 为 2.2K 。 Q1-Q4 为达 林 顿 管 D401A， Q5-Q8 为 S8550。 J1、 J2 与 步 进 电 机 的 六 条 引 线 相 连 编 辑 本 段 步 进 电 机 优 缺 点优 点1 电 机 旋 转 的 角 度 正 比 于 脉 冲 数 ； 2 电 机 停 转 的 时 候 具 有 最 大 的 转 矩 （ 当 绕 组 激 磁 时 ） ； 3 由 于 每 步 的 精 度 在 百 分 之 三 到 百 分 之 五 ， 而 且 不 会 将 一 步 的 误 差 积累 到 下 一 步 因 而 有 较 好 的 位 置 精 度 和 运 动 的 重 复 性 ； 4 优 秀 的 起 停 和 反 转 响 应 ； 5 由 于 没 有 电 刷 ， 可 靠 性 较 高 ， 因 此 电 机 的 寿 命 仅 仅 取 决 于 轴 承 的 寿命 ； 6 电 机 的 响 应 仅 由 数 字 输 入 脉 冲 确 定 ， 因 而 可 以 采 用 开 环 控 制 ， 这 使得 电 机 的 结 构 可 以 比 较 简 单 而 且 控 制 成 本 7 仅 仅 将 负 载 直 接 连 接 到 电 机 的 转 轴 上 也 可 以 极 低 速 的 同 步 旋 转 。 8 由 于 速 度 正 比 于 脉 冲 频 率 ， 因 而 有 比 较 宽 的 转 速 范 围 。 缺 点1 如 果 控 制 不 当 容 易 产 生 共 振 ； 2 难 以 运 转 到 较 高 的 转 速 。 3. 难 以 获 得 较 大 的 转 矩 4. 在 体 积 重 量 方 面 没 有 优 势 ， 能 源 利 用 率 低 。 5. 超 过 负 载 时 会 破 坏 同 步 ， 高 速 工 作 时 会 发 出 振 动 和 噪 声 。 编 辑 本 段 步 进 电 机 驱 动 方 法步 进 电 动 机 不 能 直 接 接 到 工 频 交 流 或 直 流 电 源 上 工 作 ， 而 必 须 使 用 专 用的 步 进 电 动 机 驱 动 器 ， 如 图 2 所 示 ， 它 由 脉 冲 发 生 控 制 单 元 、 功 率 驱 动 单 元 、保 护 单 元 等 组 成 。 图 中 点 划 线 所 包 围 的 二 个 单 元 可 以 用 微 机 控 制 来 实 现 。 驱动 单 元 与 步 进 电 动 机 直 接 耦 合 ， 也 可 理 解 成 步 进 电 动 机 微 机 控 制 器 的 功 率 接口 ， 这 里 予 以 简 单 介 绍 。 图 2 步 进 电 动 机 驱 动 控 制 器? 图 2 步 进 电 动 机 驱 动 控 制 器 1、 单 电 压 功 率 驱 动 接 口 ?实 用 电 路 如 图 3 所 示 。 在 电 机 绕 组 回 路 中 串 有 电 阻 Rs， 使 电 机 回 路 时间 常 数 减 小 ， 高 频 时 电 机 能 产 生 较 大 的 电 磁 转 矩 ， 还 能 缓 解 电 机 的 低 频 共 振现 象 ， 但 它 引 起 附 加 的 损 耗 。 一 般 情 况 下 ， 简 单 单 电 压 驱 动 线 路 中 ， Rs 是不 可 缺 少 的 。 Rs 对 步 进 电 动 机 单 步 响 应 的 改 善 如 图 3(b)。 图 3 单 电 压 功 率 驱 动 接 口 及 单 步 响 应 曲 线? 图 3 单 电 压 功 率 驱 动 接 口 及 单 步 响 应 曲 线 图 4 双 电 压 功 率 驱 动 接 口? 图 4 双 电 压 功 率 驱 动 接 口 2、 双 电 压 功 率 驱 动 接 口 ?双 电 压 驱 动 的 功 率 接 口 如 图 4 所 示 。 双 电 压 驱 动 的 基 本 思 路 是 在 较 低（ 低 频 段 ） 用 较 低 的 电 压 UL 驱 动 ， 而 在 高 速 （ 高 频 段 ） 时 用 较 高 的 电 压UH 驱 动 。 这 种 功 率 接 口 需 要 两 个 控 制 信 号 ， Uh 为 高 压 有 效 控 制 信 号 ， U 为脉 冲 调 宽 驱 动 控 制 信 号 。 图 中 ， 功 率 管 TH 和 二 极 管 DL 构 成 电 源 转 换 电 路 。当 Uh 低 电 平 ， TH 关 断 ， DL 正 偏 置 ， 低 电 压 UL 对 绕 组 供 电 。 反 之 Uh 高 电平 ， TH 导 通 ， DL 反 偏 ， 高 电 压 UH 对 绕 组 供 电 。 这 种 电 路 可 使 电 机 在 高 频 段也 有 较 大 出 力 ， 而 静 止 锁 定 时 功 耗 减 小 。 3、 高 低 压 功 率 驱 动 接 口 ?图 5 高 低 压 功 率 驱 动 接 口? 图 5 高 低 压 功 率 驱 动 接 口 高 低 压 功 率 驱 动 接 口 如 图 5 所 示 。 高 低 压 驱 动 的 设 计 思 想 是 ， 不 论 电 机工 作 频 率 如 何 ， 均 利 用 高 电 压 UH 供 电 来 提 高 导 通 相 绕 组 的 电 流 前 沿 ， 而 在前 沿 过 后 ， 用 低 电 压 UL 来 维 持 绕 组 的 电 流 。 这 一 作 用 同 样 改 善 了 驱 动 器 的高 频 性 能 ， 而 且 不 必 再 串 联 电 阻 Rs， 消 除 了 附 加 损 耗 。 高 低 压 驱 动 功 率 接口 也 有 两 个 输 入 控 制 信 号 Uh 和 Ul， 它 们 应 保 持 同 步 ， 且 前 沿 在 同 一 时 刻 跳变 ， 如 图 5 所 示 。 图 中 ， 高 压 管 VTH 的 导 通 时 间 tl 不 能 太 大 ， 也 不 能 太 小 ，太 大 时 ， 电 机 电 流 过 载 ； 太 小 时 ， 动 态 性 能 改 善 不 明 显 。 一 般 可 取13ms。 （ 当 这 个 数 值 与 电 机 的 电 气 时 间 常 数 相 当 时 比 较 合 适 ） 。 分 页 4、 斩 波 恒 流 功 率 驱 动 接 口 ?恒 流 驱 动 的 设 计 思 想 是 ， 设 法 使 导 通 相 绕 组 的 电 流 不 论 在 锁 定 、 低 频 、高 频 工 作 时 均 保 持 固 定 数 值 。 使 电 机 具 有 恒 转 矩 输 出 特 性 。 这 是 目 前 使 用 较多 、 效 果 较 好 的 一 种 功 率 接 口 。 图 6 是 斩 波 恒 流 功 率 接 口 原 理 图 。 图 中 R是 一 个 用 于 电 流 采 样 的 小 阻 值 电 阻 ， 称 为 采 样 电 阻 。 当 电 流 不 大 时 ， VT1和 VT2 同 时 受 控 于 走 步 脉 冲 ， 当 电 流 超 过 恒 流 给 定 的 数 值 ， VT2 被 封 锁 ，电 源 U 被 切 除 。 由 于 电 机 绕 组 具 有 较 大 电 感 ， 此 时 靠 二 极 管 VD 续 流 ， 维 持绕 组 电 流 ， 电 机 靠 消 耗 电 感 中 的 磁 场 能 量 产 生 出 力 。 此 时 电 流 将 按 指 数 曲 线衰 减 ， 同 样 电 流 采 样 值 将 减 小 。 当 电 流 小 于 恒 流 给 定 的 数 值 ， VT2 导 通 ，电 源 再 次 接 通 。 如 此 反 复 ， 电 机 绕 组 电 流 就 稳 定 在 由 给 定 电 平 所 决 定 的 数 值上 ， 形 成 小 小 的 锯 齿 波 ， 如 图 6 所 示 。 图 6 斩 波 恒 流 功 率 驱 动 接 口? 图 6 斩 波 恒 流 功 率 驱 动 接 口 斩 波 恒 流 功 率 驱 动 接 口 也 有 两 个 输 入 控 制 信 号 ， 其 中 u1 是 数 字 脉 冲 ，u2 是 模 拟 信 号 。 这 种 功 率 接 口 的 特 点 是 ： 高 频 响 应 大 大 提 高 ， 接 近 恒 转 矩 输出 特 性 ， 共 振 现 象 消 除 ， 但 线 路 较 复 杂 。 目 前 已 有 相 应 的 集 成 功 率 模 块 可 供采 用 。 5、 升 频 升 压 功 率 驱 动 接 口 ?为 了 进 一 步 提 高 驱 动 系 统 的 高 频 响 应 ， 可 采 用 升 频 升 压 功 率 驱 动 接 口 。这 种 接 口 对 绕 组 提 供 的 电 压 与 电 机 的 运 行 频 率 成 线 性 关 系 。 它 的 主 回 路 实 际上 是 一 个 开 关 稳 压 电 源 ， 利 用 频 率 -电 压 变 换 器 ， 将 驱 动 脉 冲 的 频 率 转 换 成直 流 电 平 ， 并 用 此 电 平 去 控 制 开 关 稳 压 电 源 的 输 入 ， 这 就 构 成 了 具 有 频 率 反馈 的 功 率 驱 动 接 口 。 6、 集 成 功 率 驱 动 接 口 ?目 前 已 有 多 种 用 于 小 功 率 步 进 电 动 机 的 集 成 功 率 驱 动 接 口 电 路 可 供 选 用 。L298 芯 片 是 一 种 H 桥 式 驱 动 器 ， 它 设 计 成 接 受 标 准 TTL 逻 辑 电 平 信 号 ，可 用 来 驱 动 电 感 性 负 载 。 H 桥 可 承 受 46V 电 压 ， 相 电 流 高 达2.5A。 L298(或 XQ298， SGS298)的 逻 辑 电 路 使 用 5V 电 源 ， 功 放 级 使 用546V 电 压 ， 下 桥 发 射 极 均 单 独 引 出 ， 以 便 接 入 电 流 取 样 电 阻 。 L298(等 )采 用 15 脚 双 列 直 插 小 瓦 数 式 封 装 ， 工 业 品 等 级 。 它 的 内 部 结 构 如 图 7 所 示 。H 桥 驱 动 的 主 要 特 点 是 能 够 对 电 机 绕 组 进 行 正 、 反 两 个 方 向 通 电 。 L298 特别 适 用 于 对 二 相 或 四 相 步 进 电 动 机 的 驱 动 。 分 页 图 7 L298 原 理 框 图? 图 7 L298 原 理 框 图 与 L298 类 似 的 电 路 还 有 TER 公 司 的 3717， 它 是 单 H 桥 电 路 。 SGS 公 司的 SG3635 则 是 单 桥 臂 电 路 ， IR 公 司 的 IR2130 则 是 三 相 桥 电 路 ， Allegro公 司 则 有 A2916、 A3953 等 小 功 率 驱 动 模 块 。 图 8 是 使 用 L297(环 形 分 配 器 专 用 芯 片 )和 L298 构 成 的 具 有 恒 流 斩 波 功能 的 步 进 电 动 机 驱 动 系 统 。 图 8 专 用 芯 片 构 成 的 步 进 电 动 驱 动 系 统? 图 8 专 用 芯 片 构 成 的 步 进 电 动 驱 动 系 统 编 辑 本 段 步 进 电 机 驱 动 器 的 特 点 ?（ 1） 构 成 步 进 电 机 驱 动 器 系 统 的 专 用 集 成 电 路 ： A、 脉 冲 分 配 器 集 成 电 路 ： 如 三 洋 公 司 的 PMM8713、 PMM8723、 PMM8714等 。 B、 包 含 脉 冲 分 配 器 和 电 流 斩 波 的 控 制 器 集 成 电 路 ： 如 SGS 公 司 的L297、 L6506 等 。 C、 只 含 功 率 驱 动 （ 或 包 含 电 流 控 制 、 保 护 电 路 ） 的 驱 动 器 集 成 电 路 ：如 日 本 新 电 元 工 业 公 司 的 MTD1110（ 四 相 斩 波 驱 动 ） 和 MTD2001（ 两 相 、 H桥 、 斩 波 驱 动 ） 。 D、 将 脉 冲 分 配 器 、 功 率 驱 动 、 电 流 控 制 和 保 护 电 路 都 包 括 在 内 的 驱 动控 制 器 集 成 电 路 ， 如 东 芝 公 司 的 TB6560AHQ、 MOTOROLA 公 司 的SAA1042（ 四 相 ） 和 ALLEGRO 公 司 的 UCN5804（ 四 相 ） 等 。 （ 2） “细 分 驱 动 ”概 述 ： 将 “电 机 固 有 步 距 角 ”细 分 成 若 干 小 步 的 驱 动 方 法 ， 称 为 细 分 驱 动 ， 细分 是 通 过 驱 动 器 精 确 控 制 步 进 电 机 的 相 电 流 实 现 的 ， 与 电 机 本 身 无 关 。 其 原理 是 ， 让 定 子 通 电 相 电 流 并 不 一 次 升 到 位 ， 而 断 电 相 电 流 并 不 一 次 降 为0（ 绕 组 电 流 波 形 不 再 是 近 似 方 波 ， 而 是 N 级 近 似 阶 梯 波 ） ， 则 定 子 绕 组 电流 所 产 生 的 磁 场 合 力 ， 会 使 转 子 有 N 个 新 的 平 衡 位 置 （ 形 成 N 个 步 距 角 ） 。编 辑 本 段 步 进 电 机 驱 动 要 求（ 1） 能 够 提 供 较 快 的 电 流 上 升 和 下 降 速 度 ， 使 电 流 波 形 尽 量 接 近 矩 形 。具 有 供 截 止 期 间 释 放 电 流 流 通 的 回 路 ， 以 降 低 绕 组 两 端 的 反 电 动 势 ， 加快 电 流 衰 减 。 （ 2） 具 有 较 高 韵 功 率 及 效 率 。 步 进 电 机 驱 动 器 ， 它 是 把 控 制 系 统 发 出 的 脉 冲 信 号 转 化 为 步 进 电 机 的 角位 移 ， 或 者 说 ： 控 制 系 统 每 发 一 个 脉 冲 信 号 ， 通 过 驱 动 器 就 使