基于MCU和DSP的步进电机控制技术

文章来源:不详 时间:2016年06月21日

步进电机已经渗透入我们生活的方方面面,本文介绍了一些重
要的步进电机相关技术,为开发人员基本了解步进电机的工作原理提供了足够的信息,同时也介绍了用微控制器或数字信号处理器控制步进电机的方法。

步进电机也叫步进器,它利用电磁学原理,将电能转换为机械能,人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等)的日益流行,步进电机的使用也开始暴增。不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中,只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置,步进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形状和尺寸,但不论形状和尺寸如何,它们都可以归为两类:可变磁阻步进电机和永磁步进电机。本文重点讨论更为简单也更常用的永磁步进电机。

步进电机的构造

如图1所示,步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下,一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管,而在电机中,绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。如果线圈中电流的流向如图1所示,并且我们从电机顶部向下看齿槽的顶部,那么电流在绕两个齿槽按逆时针流向流动。根据安培定律和右手准则,这样的电流会产生一个北极向上的磁场。

现在假设我们构造一个定子上缠绕有两个绕组的电机,内置一个能够绕中心任意转动的永久磁铁,这个可旋转部分叫做转子。图2给出了一种简单的电机,叫做双相双极电机,因为其定子上有两个绕组,而且其转子有两个磁极。如果我们按图2a所示方向给绕组1输送电流,而绕组2中没有电流流过,那么电机转子的南极就会自然地按图中所示,指向定子磁场的北极。

再假设我们切断绕组1中的电流,而按图2b所示方向给绕组2输送电流,那么定子的磁场就会指向左侧,而转子也会随之旋转,与定子磁场方向保持一致。

接着,我们再将绕组2的电流切断,按照图2c的方向给绕组1输送电流,注意:这时绕组1中的电流流向与图2a所示方向相反。于是定子的磁场北极就会指向下,从而导致转子旋转,其南极也指向下方。

然后我们又切断绕组1中的电流,按照图2d所示方向给绕组2输送电流,于是定子磁场又会指向右侧,从而使得转子旋转,其南极也指向右侧。

最后,我们再一次切断绕组2中的电流,并给绕组1输送如图2a所示的电流,这样,转子又会回到原来的位置。

至此,我们对电机绕组完成了一个周期的电激励,电机转子旋转了一整圈。也就是说,电机的电频率等于它转动的机械频率。

如果我们用1秒钟顺序完成了图2所示的这4个步骤,那么电机的电频率就是1Hz。其转子旋转了一周,因而其机械频率也是1Hz。总之,一个双相步进电机的电频率和机械频率之间的关系可以用下式表示:

fe=fm*P/2 (1)

其中,fe代表电机的电频率,fm代表其机械频率,而P则代表电机转子的等距磁极数。

从图2中我们还可以看出,每一步操作都会使转子旋转90°,也就是说,一个双相步进电机每一步操作造成的旋转度数可由下式表示:

1 step= 180°/P (2)

由等式(2)可知,一个双极电机每动作一次可以旋转180°/2=90°,这与我们在图2中看到的情形正好相符。此外,该等式还表明,电机的磁极数越多,步进精度就越高。常见的是磁极数在12和200个之间的双相步进电机,这些电机的步进精度在15°和 0.9°之间。



图3给出的例子是一个双相、6极步进电机,其中包含3个永久磁铁,因而有6个磁极。第一步,如图3a所示,我们给绕组1施加电压,在定子中产生一个北极指向其顶部的磁场,于是,转子的南极(图3a中红色的“S”一端)转向了该图的上方。接着,在图3b中,我们给绕组2施加电压,定子中产生一个北极指向其左侧的磁场。于是,转子的一个距离最近的南极转向了图的左方,即转子顺时针转动了30°。第三步,在图3c中,我们又向绕组1施加一个电压,在定子中产生一个北极指向图下方的磁场,从而又使转子顺时针旋转30°到达图3c所示的位置。而在图3d中,我们给绕组2施加电压,在定子中产生一个北极指向定子右侧的磁场,再一次使转子顺时针旋转30°,到达图3d所示的位置。最后,我们再向绕组1施加电压,产生一个如图3a所示的北极指向定子上方的磁场,使得转子顺时针旋转30°,结束一个电周期。如此可以看出,4步电激励造成了120°的机械旋转。也就是说,该电机的电频率是机械频率的3倍,这一结果符合等式(1)。此外,我们从图3和等式(2)也能看出,该电机的转子每一步旋转30°。

如果同时向两个绕组输送电流,还能增大电机的扭矩,如图4所示。这时,电机定子的磁场是两个绕组各自产生的磁场的矢量和,虽然这一磁场每一次动作仍然只使电机旋转90°,就象图2和图3中一样,但因为我们同时激励两个电机绕组,所以此时的磁场比单独激励一个绕组时更强。由于该磁场是两个垂直场的矢量和,因此它等于单独每个场的2×1.414倍,从而电机对其负载施加的扭矩也成正比增大。

电机的激励顺序

既然我们知道了一系列激励会使步进电机旋转,接下来就要设计硬件来实现所需的步进序列。一块能让电机动起来的硬件(或结合了硬件和软件的一套设备)就叫做电机驱动器。

从图4中可以看出我们怎样激励双相电机的绕组才能使电机转子旋转,图中,电机内的绕组抽头分别被标为1A、1B、2A和2B。其中,1A和1B是绕组1的两个抽头,2A和2B则是绕组2的两个抽头。

首先,要给脚1B和2B施加一个正电压,并将1A和2A接地。然后,给脚1B和2A施加一个正电压,而将1A和2B接地,这一过程其实取决于导线绕齿槽缠绕的方向,假设导线缠绕的方向与上一节所述相符。依次进行下去,我们就得到了表1中总结的激励顺序,其中,“1”表示正电压,“0”表示接地。

电流在电机绕组中有两种可能的流向,这样的电机就叫做双极电机和双极驱动序列。双极电机通常由一种叫做H桥的电路驱动,图5给出了连接H桥和步进电机两根抽头的电路。H桥通过一个电阻连接到一个电压固定的直流电源(其幅度可根据电机的要求选取),然后,该电路再经过4个开关(分别标为S1、S2、S3和S4)连接到绕组的两根抽头。这一电路的分布看起来有点象一个大写字母H,因此叫做H桥。

从表1中可以看出,要激励该电机,第一步应将抽头2A设为逻辑0,2B设为逻辑1,于是,我们可以闭合开关S1和S4,并断开开关S2和S3。接着,需要将抽头2A设为逻辑1,2B设为逻辑0,于是,我们可以闭合S2、S3,并断开S1和S4。与此类似,第三步我们可以闭合S2、S3并断开S1和S4,第四步则可以闭合S1、S4并断开S2、S3。

对绕组1的激励方法也不外乎如此,使用一对H桥就能产生需要的激励信号序列。表2所示就是激励过程中每一步开关所在的位置。

注意,如果R=0,而开关
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