步进电动机与单片机控制.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除步进电动机与单片机控制(1)步进电动机技术专题连载步进电动机又称电脉冲马达,是纯粹的数字控制电动机。步进电机是将电脉冲信号转换成角位移的执行元件,即输入一个脉冲信号,步进电动机就转动一个角度,其转子的转角与输入的电脉冲数成正比,其转速与输入的电脉冲频率成正比,而电动机的旋转方向则由脉冲的分配顺序决定,因此非常适合用单片机对其进行控制。由于步进电动机的位移量与输入脉冲数成正比,不会引起误差积累,加之是开环控制系统,具有简单可靠、响应速度快、输出转矩大等优点,随着计算机技术的发展,步进电动机在定位控制系统、数字程序系统等领域中得到了更加广泛的应用。一、步进电动机的工作原理与工作方式步进电动机的规格品种很多,按其结构与工作原理可分为反应式(磁阻式) 、电磁式和永磁式等几种形式。三相反应式步进电动机的定子有六个极,每两个相对极上有一相绕组,定子的三相绕组即为控制绕组,其转子有四个极,无绕组。当A 相绕组通电时,由于磁力线力图通过磁阻最小的途径,转子将受到磁组转矩的作用,而必然转到其磁极轴线与A 相绕组轴线重合,此时磁组转矩为零,转子停止转动。当A 相断电,B 相通电时,由于同样的原因,转子将逆时针方向转过30空间角,使其轴线与B 相绕组轴线重合。同样,B 相断电,C 相通电,转子再逆时针方向转过30空间角。若按A - B - C 顺序通电,转子就逆时针方向一步一步地转动;若按A - C - B 顺序通电,转子就顺时针方向一步一步地转动。显然,变换通电状态的频率越高,转子就转得越快。步进电动机的这种运行方式为单三拍工作方式,即每次只有一相绕组通电,电流切换三次,磁场就会旋转一周,同时转子转动一个齿距。在实际的应用中,为了提高步进的精度,即减少错齿的角度,往往把定子做成多段结构,当定子绕组通电时,定子和转子的错齿角度很小,从而使得步进电动机在转动时能实现很小的步进,满足实际应用的要求。对于三相反应式步进电动机来说,除了单三拍工作方式外,还有双三拍和六拍工作方式。双三拍工作方式:每次都是两相通电,控制电流切换三次,磁场旋转一周,转子移动一个齿距位置。在双三拍工作方式中,其通电顺序按AB - BC - CA - AB 或AC -CB - BA - AC 进行。由于双三拍运行每次有两相绕组同时通电,转子被吸引到与两相通电绕组等距离的中间位置,所以双三拍运行的步距角与单三拍相同。由于双三拍工作方式在运行切换过程中,始终有一相绕组保持通电,因此运行比较稳定,其功耗比单三拍方式增大近一倍。六拍工作方式:把单三拍和双三拍工作方式结合起来,就产生了六拍工作方式。在六拍工作方式中,步进电动机绕组的通电顺序按:A - AB - B - BC - C - CA - A 或A - AC - C - CB - B - BA - A 进行,六拍运行方式的步距角比三拍运行方式小一半,且转换时始终保证有一相绕组通电,工作比较稳定。由于六拍工作方式增大了步进电动机的稳定区域,使步进电动机在旋转时有较好的平滑性,改善了步进电动机的性能,因此三相反应式步进电动机较多地采用这种运行方式。 步进电动机与单片机控制(2) 编辑：管理员 日期：2008-12-17 点击：步进电动机技术专题连载(二)二、步进电动机的驱动电路步进电动机需要一个专用电源来驱动,该电源让电动机的绕组按照特定的顺序通电,即受一系列电脉冲的控制而动作。步进电动机的驱动电源由环形分配器、功率放大器及其他控制电路组成,其框图如图1 。环形分配器用来对输入的步进脉冲进行逻辑变换,产生步进电动机工作方式所需的各相脉冲序列信号。功率放大电路对环形分配电路输出信号进行放大,产生电动机旋转所需要的励磁电流。步进方向信号指定各相绕组导通的先后顺序,以改变步进电动机的旋转方向。电源控制信号在必要时可使各相绕组上的电流为零,达到释放电机、降低功耗等目的。对不同电机类型和不同的应用场合,选用的功率驱动放大电路不尽相同。即使是同一台步进电动机,在使用不同的驱动方案时,其矩频特性也相差很大。比较常用的功率驱动放大电路有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动和步距细分电路等,下面分别介绍其工作原理。1. 单电压驱动单电压驱动电路原理图如图2 所示。功率晶体管T 用作开关,L 是电机一相绕组的电感,电源电压一般选择在10100V 左右。该电路简单、效率低、能耗大,适用于小功率、中低速步进电动机的驱动。2. 高低压驱动高低压驱动电路采用两组电源电压进行驱动,电路如图3 。T1 为高压开关,T2 是功率驱动管,U2 是低压电源,U1 为高压电源,SSAT 是单稳态触发器。在输入方波脉冲信号使T2 导通的同时,触发单稳态触发器输出一个窄脉冲,此脉冲使T1 导通,此时加到绕组上的电压为高压电源U1 ,使电机绕组电流上升具有较陡的前沿特性,D1承受反向高压,使U2 与U1 隔离;当电流上升到额定值时,窄脉冲结束, T1 关闭,D1导通,T2 通过U2 维持相电流。此电路适用于大功率驱动电源,其特点是功耗较低、高频出力较大。3. 斩波恒流驱动斩波恒流驱动电路采用的供电电压比电机额定电压高,使得电机绕组电流从低速到高速运行范围内能保持恒定。斩波恒流电路弥补了高低压驱动电路中相电流波形有谷点的缺陷,提高了输出转矩,是目前步进电动机在工业控制场合中使用最为广泛的一种驱动方式。图4a 为一相(A 相) 绕组的斩波恒流驱动电路。主回路由高压大功率对管Q2 、Q3 ,步进电动机A 相绕组L 和D1 、D2 组成。集成开关电源控制芯片SG3524 (U1) 产生PWM 控制波形,取样电阻R11 的压降送入SG3524 中比较器输入端脚,并且与脚的设定输入电压相比较,在输出脚(14) 、(11) 上产生与之相对应的PWM 输出波形,控制Q4 晶体管的导通与截止。在正常的工作过程中,Va 输入步进方波信号。当Va 为低电平时,Q1 截止,Q2 导通,同时U1 退出强制关断状态,投入运行。刚开始导通时,因绕组上无相电流,U1 输出高电平的开通信号,使Q4 、Q3 导通,高压电源经Q3 给相电机绕组供电,致使相电流Ia 快速上开,当Ia 超过额定值时,R11 的压降增大,使比较器U1 翻转,Q4 、Q3 截止,此时磁场能量将使绕组相电流按原方向流动,由Q2 、R11 、电源地、快恢复二极管D1 构成的续流回路消耗磁场能量,相电流Ia 将按指数曲线衰减。当R11 的压降小于设定电压时,U1 中的比较器又翻转,Q4 、Q3 导通,电源开始向绕组供电,相电流Ia 上升。如此反复,电机绕组的相电流就稳定在设定电压所决定的相电流大小数值上,形成小小的锯齿波,其相电流波形如图4b 所示。当Va 为高电平时,Q1 导通,Q2 截止,同时U1 处于强制关断状态,电机绕组上无相电流。由于线路中没有外接续流电阻,取样电阻的阻值又很小,因此整个线路的损耗很小,而电动机绕组相电流却能在很大的运行范围内保持恒定,增大了恒转矩输出范围。该电路在低频时会使步进电动机产生严重的振荡,系统设计时应尽量避开这个区域。4. 细分控制驱动在一般情况下,步进电动机各相绕组的电流轮流切换,从而使得电机的转子步进旋转。若只改变对应绕组中额定电流的一部分,那么转子相应的每步转动也只会是原有步距角的一部分。把额定电流分成多少个级别进行切换,转子就以多少步来转完一个原有的步距角。因而,通过控制绕组中电流的数值,可以调整步进电动机步距的大小,即把步距角细分成若干步来完成,这种控制方式称为细分控制。其本质是把绕组的矩形电流波改为阶梯形电流波,并以若干个等幅等宽的阶梯上升到额定值,或以同样的阶梯从额定值下降到零。图5a 所示为一个恒频脉宽调制细分驱动电路图,其工作原理如下:Vin 为细分调节设定值,若步进脉冲为高电平,触发器输入端D 为“1”,当TE 送来时钟信号CL K上升沿到来时,置D 触发器输出为高电平, T1 、T2 导通,相绕组L (A) 中的电流Ia 上升,当电流大到一定程度后,会有Ve Vin ,此时比较器OP 输出低电平,D 触发器清零,输出低电平,使T1 、T2 截止,绕组中的电流Ia 因通过D、R2 、C2 进行泄放而下降,直到下一个时钟CL K的上升沿到来,则重复上述过程,这样可使绕组中的电流基本稳定。当Vin 以阶梯方式突变时,则绕组电流也会随之突变,其过程如图5b 所示。步进电动机与单片机控制(3)编辑：管理员 日期：2008-12-17 点击：步进电动机技术专题连载(三)三、用单片机控制的步进电动机单片机控制步进电动机功率驱动接口电路如图1 。其控制信号有:步进脉冲信号MC、正反转信号ZF、定相信号DX 和使能信号SN ,利用这些信号可以完成对步进电动机各种运行状态的控制。1. 控制信号的基本作用单片机通过外部中断输入端口接收步进脉冲信号MC ,并在中断服务程序中根据正反转输入信号ZF 的高低电平来完成脉冲相序分配。若ZF 为低电平,相序分配为正序换相,电机正转,若ZF 为高电平则为反序换相,电机反转。A、B、C 三相相序信号经反相器和光电隔离后,送功率放大电路,经放大输出驱动电机旋转。步进脉冲信号MC 的频率越高,单片机中断响应的频率就越快,电机转速也就越高。定相信号DX用于暂停电机的旋转,使电机的相电流停留在某一相或两相上,而不产生换相电流。为了减轻定相时因电流过大而使某相绕组过热,一般要求将定相电流减到旋转时额定电流的1/ 2 至1/ 3 ,这时可通过定相减流控制端1 ,改变给定的输入电压,达到减流的目的。电机在定相状态下,如果使能信号SN 有效,则完全释放电机,使电机各相绕组上的电流为零,以降低驱动电源的功耗。在电路设计中,所有的输入控制信号和脉冲相序输出信号全部采用光电隔离,使得单片机的工作基本不受外界影响,即使在比较恶劣的环境中,也能正常工作。2. 步进电动机的转速控制步进电动机带动执行机构运行时,一般要经历升速、恒速和减速的过程。若启动时一次将速度升到给定值,由于启动频率超过极限启动频率fq ,步进电动机会发生失步,造成不能正常启动;若到终点时突然停下来,由于惯性作用,步进电动机会发生过冲,造成位置精度降低;若非常缓慢地升速或降速,虽然不会出现失步和过冲,但会严重影响执行机构的工作效率。所以对步进电动机的加、减速有较为严格的要求,即应在保证不出现失步和过冲的前提下,尽量块地将速度升到或降至给定值。图2 所示为常见的加、减速运行曲线。最简单的加、减速运行曲线为匀加/ 减速曲线, 如图2a 所示。因其加、减曲线都是直线,编程容易实现。但是,按照直线加速时,加速度不变,要求其转矩也不变。由步进电动机的矩频特性曲线可知,步进电动机的电磁转矩与速度是非线性关系,因而要求其加速度与频率也应该是非线性的,转速上升,转矩下降,所以按直线加速时,有可能造成因转矩不足而产生的失步现象。在实际应用中,