基于MCU和DSP的步進(jìn)電機控制技術(shù)

圖3：雙相6極電機

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，轉子又會(huì )回到原來(lái)的位置。

至此，我們對電機繞組完成了一個(gè)周期的電激勵，電機轉子旋轉了一整圈。也就是說(shuō)，電機的電頻率等于它轉動(dòng)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(gè)步驟，那么電機的電頻率就是1Hz。其轉子旋轉了一周，因而其機械頻率也是1Hz?？傊?，一個(gè)雙相步進(jìn)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則代表電機轉子的等距磁極數。

從圖2中我們還可以看出，每一步操作都會(huì )使轉子旋轉90°，也就是說(shuō)，一個(gè)雙相步進(jìn)電機每一步操作造成的旋轉度數可由下式表示：

1 step= 180°/P (2)

由等式(2)可知，一個(gè)雙極電機每動(dòng)作一次可以旋轉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，電機的磁極數越多，步進(jìn)精度就越高。常見(jiàn)的是磁極數在12和200個(gè)之間的雙相步進(jìn)電機，這些電機的步進(jìn)精度在15°和 0.9°之間。

圖4：同時(shí)激勵電機的兩個(gè)繞組

圖3給出的例子是一個(gè)雙相、6極步進(jìn)電機，其中包含3個(gè)永久磁鐵，因而有6個(gè)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(gè)北極指向其頂部的磁場(chǎng)，于是，轉子的南極(圖3a中紅色的“S”一端)轉向了該圖的上方。接著(zhù)，在圖3b中，我們給繞組2施加電壓，定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向其左側的磁場(chǎng)。于是，轉子的一個(gè)距離最近的南極轉向了圖的左方，即轉子順時(shí)針轉動(dòng)了30°。第三步，在圖3c中，我們又向繞組1施加一個(gè)電壓，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向圖下方的磁場(chǎng)，從而又使轉子順時(shí)針旋轉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(gè)北極指向定子右側的磁場(chǎng)，再一次使轉子順時(shí)針旋轉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(gè)如圖3a所示的北極指向定子上方的磁場(chǎng)，使得轉子順時(shí)針旋轉30°，結束一個(gè)電周期。如此可以看出，4步電激勵造成了120°的機械旋轉。也就是說(shuō)，該電機的電頻率是機械頻率的3倍，這一結果符合等式(1)。此外，我們從圖3和等式(2)也能看出，該電機的轉子每一步旋轉30°。

圖5：可用于驅動(dòng)電機每個(gè)繞組的H橋電路

如果同時(shí)向兩個(gè)繞組輸送電流，還能增大電機的扭矩，如圖4所示。這時(shí)，電機定子的磁場(chǎng)是兩個(gè)繞組各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)的矢量和，雖然這一磁場(chǎng)每一次動(dòng)作仍然只使電機旋轉90°，就象圖2和圖3中一樣，但因為我們同時(shí)激勵兩個(gè)電機繞組，所以此時(shí)的磁場(chǎng)比單獨激勵一個(gè)繞組時(shí)更強。由于該磁場(chǎng)是兩個(gè)垂直場(chǎng)的矢量和，因此它等于單獨每個(gè)場(chǎng)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(huì )使步進(jìn)電機旋轉，接下來(lái)就要設計硬件來(lái)實(shí)現所需的步進(jìn)序列。一塊能讓電機動(dòng)起來(lái)的硬件(或結合了硬件和軟件的一套設備)就叫做電機驅動(dòng)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子旋轉，圖中，電機內的繞組抽頭分別被標為1A、1B、2A和2B。其中，1A和1B是繞組1的兩個(gè)抽頭，2A和2B則是繞組2的兩個(gè)抽頭。

首先，要給腳1B和2B施加一個(gè)正電壓，并將1A和2A接地。然后，給腳1B和2A施加一個(gè)正電壓，而將1A和2B接地，這一過(guò)程其實(shí)取決于導線(xiàn)繞齒槽纏繞的方向，假設導線(xiàn)纏繞的方向與上一節所述相符。依次進(jìn)行下去，我們就得到了表1中總結的激勵順序，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動(dòng)序列。雙極電機通常由一種叫做H橋的電路驅動(dòng)，圖5給出了連接H橋和步進(jìn)電機兩根抽頭的電路。H橋通過(guò)一個(gè)電阻連接到一個(gè)電壓固定的直流電源(其幅度可根據電機的要求選取)，然后，該電路再經(jīng)過(guò)4個(gè)開(kāi)關(guān)(分別標為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(lái)有點(diǎn)象一個(gè)大寫(xiě)字母H，因此叫做H橋。

圖6

從表1中可以看出，要激勵該電機，第一步應將抽頭2A設為邏輯0，2B設為邏輯1，于是，我們可以閉合開(kāi)關(guān)S1和S4，并斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2和S3。接著(zhù)，需要將抽頭2A設為邏輯1，2B設為邏輯0，于是，我們可以閉合S2、S3，并斷開(kāi)S1和S4。與此類(lèi)似，第三步我們可以閉合S2、S3并斷開(kāi)S1和S4，第四步則可以閉合S1、S4并斷開(kāi)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(guò)程中每一步開(kāi)關(guān)所在的位置。

圖7：?jiǎn)螛O電機的控制電路

注意，如果R=0，而開(kāi)關(guān)S1和S3又不小心同時(shí)閉合，那么流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流將達到無(wú)窮大。這時(shí)，不但開(kāi)關(guān)會(huì )被燒壞，電源也可能損壞，因此電路中使用了一個(gè)非零阻值的電阻。盡管這個(gè)電阻會(huì )帶來(lái)一定的功耗，也會(huì )降低電機驅動(dòng)器的效率，但它可以提供短路保護。