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如何采用微控制器或數(shù)字信號處理器來控制步進電機
2022-06-20

步進電機已經(jīng)滲透入我們生活的方方面面，本文介紹了一些重要的步進電機相關(guān)技術(shù)，為開發(fā)人員基本了解步進電機的工作原理提供了足夠的信息。 步進電機也叫步進器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，人們早在20世紀20年代就開始使用這種電機。隨著嵌入式系統(tǒng)(例如打印機、磁盤驅(qū)動器、玩具、雨刷、震動尋呼機、機械手臂和錄像機等)的日益流行，步進電機的使用也開始暴增。 不論在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、汽車還是娛樂業(yè)中，只要需要把某件物體從一個位置移動到另一個位置，步進電機就一定能派上用場。步進電機有許多種形狀和尺寸，但不論形狀和尺寸如何，它們都可以歸為兩類：可變磁阻步進電機和永磁步進電機。本文重點討論更為簡單也更常用的永磁步進電機。 步進電機的構(gòu)造 如圖1所示，步進電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線圈驅(qū)動的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。如果線圈中電流的流向如圖1所示，并且我們從電機頂部向下看齒槽的頂部，那么電流在繞兩個齒槽按逆時針流向流動。根據(jù)安培定律和右手準(zhǔn)則，這樣的電流會產(chǎn)生一個北極向上的磁場。 現(xiàn)在假設(shè)我們構(gòu)造一個定子上纏繞有兩個繞組的電機，內(nèi)置一個能夠繞中心任意轉(zhuǎn)動的永久磁鐵，這個可旋轉(zhuǎn)部分叫做轉(zhuǎn)子。圖2給出了一種簡單的電機，叫做雙相雙極電機，因為其定子上有兩個繞組，而且其轉(zhuǎn)子有兩個磁極。如果我們按圖2a所示方向給繞組1輸送電流，而繞組2中沒有電流流過，那么電機轉(zhuǎn)子的南極就會自然地按圖中所示，指向定子磁場的北極。 再假設(shè)我們切斷繞組1中的電流，而按圖2b所示方向給繞組2輸送電流，那么定子的磁場就會指向左側(cè)，而轉(zhuǎn)子也會隨之旋轉(zhuǎn)，與定子磁場方向保持一致。 接著，我們再將繞組2的電流切斷，按照圖2c的方向給繞組1輸送電流，注意：這時繞組1中的電流流向與圖2a所示方向相反。于是定子的磁場北極就會指向下，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其南極也指向下方。 然后我們又切斷繞組1中的電流，按照圖2d所示方向給繞組2輸送電流，于是定子磁場又會指向右側(cè)，從而使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其南極也指向右側(cè)。 最后，我們再一次切斷繞組2中的電流，并給繞組1輸送如圖2a所示的電流，這樣，轉(zhuǎn)子又會回到原來的位置。 至此，我們對電機繞組完成了一個周期的電激勵，電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一整圈。也就是說，電機的電頻率等于它轉(zhuǎn)動的機械頻率。 如果我們用1秒鐘順序完成了圖2所示的這4個步驟，那么電機的電頻率就是1Hz。其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一周，因而其機械頻率也是1Hz。總之，一個雙相步進電機的電頻率和機械頻率之間的關(guān)系可以用下式表示： fe=fm*P/2 (1) 其中，fe代表電機的電頻率，fm代表其機械頻率，而P則代表電機轉(zhuǎn)子的等距磁極數(shù)。 從圖2中我們還可以看出，每一步操作都會使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90°，也就是說，一個雙相步進電機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，一個雙極電機每動作一次可以旋轉(zhuǎn)180°/2=90°，這與我們在圖2中看到的情形正好相符。此外，該等式還表明，電機的磁極數(shù)越多，步進精度就越高。常見的是磁極數(shù)在12和200個之間的雙相步進電機，這些電機的步進精度在15°和 0.9°之間。 圖3給出的例子是一個雙相、6極步進電機，其中包含3個永久磁鐵，因而有6個磁極。第一步，如圖3a所示，我們給繞組1施加電壓，在定子中產(chǎn)生一個北極指向其頂部的磁場，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)生一個北極指向其左側(cè)的磁場。 于是，轉(zhuǎn)子的一個距離最近的南極轉(zhuǎn)向了圖的左方，即轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動了30°。第三步，在圖3c中，我們又向繞組1施加一個電壓，在定子中產(chǎn)生一個北極指向圖下方的磁場，從而又使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)30°到達圖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)生一個北極指向定子右側(cè)的磁場，再一次使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)30°，到達圖3d所示的位置。 最后，我們再向繞組1施加電壓，產(chǎn)生一個如圖3a所示的北極指向定子上方的磁場，使得轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)30°，結(jié)束一個電周期。如此可以看出，4步電激勵造成了120°的機械旋轉(zhuǎn)。也就是說，該電機的電頻率是機械頻率的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，該電機的轉(zhuǎn)子每一步旋轉(zhuǎn)30°。 如果同時向兩個繞組輸送電流，還能增大電機的扭矩，如圖4所示。這時，電機定子的磁場是兩個繞組各自產(chǎn)生的磁場的矢量和，雖然這一磁場每一次動作仍然只使電機旋轉(zhuǎn)90°，就象圖2和圖3中一樣，但因為我們同時激勵兩個電機繞組，所以此時的磁場比單獨激勵一個繞組時更強。由于該磁場是兩個垂直場的矢量和，因此它等于單獨每個場的2×1.414倍，從而電機對其負載施加的扭矩也成正比增大。 電機的激勵順序 既然我們知道了一系列激勵會使步進電機旋轉(zhuǎn)，接下來就要設(shè)計硬件來實現(xiàn)所需的步進序列。一塊能讓電機動起來的硬件(或結(jié)合了硬件和軟件的一套設(shè)備)就叫做電機驅(qū)動器。 從圖4中可以看出我們怎樣激勵雙相電機的繞組才能使電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，圖中，電機內(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的兩個抽頭，2A和2B則是繞組2的兩個抽頭。 首先，要給腳1B和2B施加一個正電壓，并將1A和2A接地。然后，給腳1B和2A施加一個正電壓，而將1A和2B接地，這一過程其實取決于導(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。依次進行下去，我們就得到了表1中總結(jié)的激勵順序，其中，“1”表示正電壓，“0”表示接地。 電流在電機繞組中有兩種可能的流向，這樣的電機就叫做雙極電機和雙極驅(qū)動序列。雙極電機通常由一種叫做H橋的電路驅(qū)動，圖5給出了連接H橋和步進電機兩根抽頭的電路。 H橋通過一個電阻連接到一個電壓固定的直流電源(其幅度可根據(jù)電機的要求選取)，然后，該電路再經(jīng)過4個開關(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有點象一個大寫字母H，因此叫做H橋。 從表1中可以看出，要激勵該電機，第一步應(yīng)將抽頭2A設(shè)為邏輯0，2B設(shè)為邏輯1，于是，我們可以閉合開關(guān)S1和S4，并斷開開關(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S1和S4。與此類似，第三步我們可以閉合S2、S3并斷開S1和S4，第四步則可以閉合S1、S4并斷開S2、S3。 對繞組1的激勵方法也不外乎如此，使用一對H橋就能產(chǎn)生需要的激勵信號序列。表2所示就是激勵過程中每一步開關(guān)所在的位置。 注意，如果R=0，而開關(guān)S1和S3又不小心同時閉合，那么流經(jīng)開關(guān)的電流將達到無窮大。這時，不但開關(guān)會被燒壞，電源也可能損壞，因此電路中使用了一個非零阻值的電阻。盡管這個電阻會帶來一定的功耗，也會降低電機驅(qū)動器的效率，但它可以提供短路保護。 單極電機及其驅(qū)動器 前面我們已經(jīng)討論了雙極步進電機和驅(qū)動器。單極電機與雙極電機類似，不同的是在單極電機中外部能夠接觸到的只有每個繞組的中心抽頭，如圖6所示。我們將從繞組頂部抽出的抽頭標(biāo)為抽頭B，底部抽出的標(biāo)為抽頭A，中間的為抽頭C。 有時我們會遇到一些抽頭沒有標(biāo)注的電機，如果我們清楚步進電機的構(gòu)造，就很容易通過測量抽頭之間的阻值，識別出哪些抽頭屬于哪根繞組。不同繞組的抽頭之間阻抗通常為無窮大。如果經(jīng)測量，抽頭A和C之間的阻抗為100歐姆，那么抽頭B和C之間的阻抗也應(yīng)是100歐姆，而A和B之間的阻抗為200歐姆。200歐姆這一阻抗值就叫做繞組阻抗。 給出一個單極電機的單相驅(qū)動電路。從中可以看出，當(dāng)S1閉合而S2斷開時，電流將由右至左流經(jīng)電機繞組；而當(dāng)S1斷開，S2閉合時，電流流向變?yōu)橛勺笾劣?。因此，我們僅用兩個開關(guān)就能改變電流的流向(而在雙極電機中需要4個開關(guān)才能做到)。表3所示為單極電機驅(qū)動電路中，每一步激勵時開關(guān)所處的位置。 雖然單極電機的驅(qū)動器控制起來相對簡單，但由于在電機中使用了中心抽頭，因此它比雙極電機更復(fù)雜，而且其價格通常比雙極電機貴。此外，由于電流只流經(jīng)一半的電機繞組，所以單極電機只能產(chǎn)生一半的磁場。 在知道了單極電機和雙極電機的構(gòu)造原理之后，當(dāng)我們遇到一個沒有標(biāo)示抽頭也沒有數(shù)據(jù)手冊的電機時，我們就能自己推導(dǎo)出抽頭和繞組的關(guān)系。帶4個抽頭的電機就是一個雙相雙極電機，我們可以通過測量導(dǎo)線之間的阻抗來分辨哪兩個抽頭屬于同一個繞組。帶6個抽頭的電機可能是一個雙相單極電機，也可能是一個三相雙極電機，具體情況可以通過測量導(dǎo)線之間的阻抗來確定。 電機控制 本文前面討論的電機控制理論可以采用全硬件方案實現(xiàn)，也可以用微控制器或DSP實現(xiàn)。圖8說明了如何用晶體管作為開關(guān)來控制雙相單極電機。每個晶體管的基極都要通過一個電阻連接到微控制器的一個數(shù)字輸出上，阻值可以從1到10M歐姆，用于限制流入晶體管基極的電流。每個晶體管的發(fā)射極均接地，集電極連到電機繞組的4個抽頭。電機的中心抽頭均連接到電源電壓的正端。 每個晶體管的集電極均通過一個二極管連接到電壓源，以保護晶體管不被旋轉(zhuǎn)時電機繞組上的感應(yīng)電流燒壞。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，電機繞組上會出現(xiàn)一個感應(yīng)電壓，如果晶體管集電極沒有通過二極管連接到電壓源，感應(yīng)電壓造成的電流就會涌入晶體管的集電極。 舉個例子，假設(shè)數(shù)字輸出do1為高而do2為低，于是do1會使晶體管T1導(dǎo)通，電流從+V流經(jīng)中心抽頭和T1的基極，然后由T1的發(fā)射極輸出。但此時do2處于斷開狀態(tài)，因此電流無法流經(jīng)T2。這樣推理下去，我們就能將表3改為驅(qū)動電機所需的微控制器數(shù)字輸出的改變順序。 一旦清楚了驅(qū)動電機所需的硬件和數(shù)字輸出的順序，我們就可以對最順手的微控制器或DSP編寫軟件，實現(xiàn)這些序列。 固件控制 我本人在一塊Microchip PIC16F877上，利用1N4003二極管和2SD1276A達靈頓晶體管實現(xiàn)了以上談到的電機控制器。PIC的PortA第0位到第3位用來做數(shù)字輸出。電機采用在Jameco購買的5V雙相單極電機(Airpax [Thomson]生產(chǎn)，型號為M82101-P1)，并且用同一個5V電源為PIC和電機供電。但在真正應(yīng)用時，為避免給微控制器的電源信號引入噪聲，建議大家還是分別用不同的電源為電機和微控制器供電。 列表1給出了控制程序的匯編源代碼，該程序每50毫秒旋轉(zhuǎn)電機一次。首先，程序會將微控制器的數(shù)字輸出初始化為表4中第一步的值，然后每隔50毫秒(此時間常數(shù)由程序中的常量waitTime定義)按照正確的順序循環(huán)輸出數(shù)字信號。若需使電機反向旋轉(zhuǎn)，只需按與表4所示相反的順序輸出數(shù)字信號即可。 筆者所用的電機為24極電機，即每一步輸出可以控制電機旋轉(zhuǎn)180°/24=7.5°。電機每50毫秒旋轉(zhuǎn)7.5°，也就是每2.4秒轉(zhuǎn)一周。如果將常量waitTime減小一半，電機轉(zhuǎn)速會加快一倍。但因為轉(zhuǎn)子受慣性、摩擦力和其他機械限制，所以電機轉(zhuǎn)速有一個上限，當(dāng)定子磁場旋轉(zhuǎn)過快時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速無法跟上，導(dǎo)致電機的旋轉(zhuǎn)也無法跟上，開始跳動(skipping)。如果這時再降低歐姆aitTime，電機很可能干脆就停止旋轉(zhuǎn)。 除了本文重點討論的雙相電機以外，步進電機還有其他類型，如三相步進電機或四相步進電機。另外還有一些雙相步進電機，它們只有一個中心抽頭，同時連接到兩個繞組的中心點，這類步進電機外部有5個抽頭引出。 同樣，步進電機也不是電機家族中的唯一成員，最古老也最簡單的電機是直流(DC)電機。早期的直流電機使用電刷，現(xiàn)在已經(jīng)不再流行。如今常見的無刷直流電機，就是利用電子線路代替電刷進行換向的直流電機，這類電機中不存在電刷老化問題，因此其壽命比有刷直流電機長很多。 還有一種感應(yīng)電機，其工作原理與步進電機或直流電機完全不同。直流電機采用的是直流電壓源，而感應(yīng)電機則采用交流(AC)電壓源，并且步進電機和直流電機中轉(zhuǎn)子與定子磁場的旋轉(zhuǎn)是同步的，而感應(yīng)電機中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速滯后于定子磁場的轉(zhuǎn)速。

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