基于MCU和DSP的步進(jìn)電機控制技術(shù)

單極電機及其驅動(dòng)器

前面我們已經(jīng)討論了雙極步進(jìn)電機和驅動(dòng)器。單極電機與雙極電機類(lèi)似，不同的是在單極電機中外部能夠接觸到的只有每個(gè)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為抽頭B，底部抽出的標為抽頭A，中間的為抽頭C。

有時(shí)我們會(huì )遇到一些抽頭沒(méi)有標注的電機，如果我們清楚步進(jìn)電機的構造，就很容易通過(guò)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(wú)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。

圖8

圖7給出一個(gè)單極電機的單相驅動(dòng)電路。從中可以看出，當S1閉合而S2斷開(kāi)時(shí)，電流將由右至左流經(jīng)電機繞組；而當S1斷開(kāi)，S2閉合時(shí)，電流流向變?yōu)橛勺笾劣?。因此，我們僅用兩個(gè)開(kāi)關(guān)就能改變電流的流向(而在雙極電機中需要4個(gè)開(kāi)關(guān)才能做到)。表3所示為單極電機驅動(dòng)電路中，每一步激勵時(shí)開(kāi)關(guān)所處的位置。

雖然單極電機的驅動(dòng)器控制起來(lái)相對簡(jiǎn)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雜，而且其價(jià)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(chǎng)。

在知道了單極電機和雙極電機的構造原理之后，當我們遇到一個(gè)沒(méi)有標示抽頭也沒(méi)有數據手冊的電機時(shí)，我們就能自己推導出抽頭和繞組的關(guān)系。帶4個(gè)抽頭的電機就是一個(gè)雙相雙極電機，我們可以通過(guò)測量導線(xiàn)之間的阻抗來(lái)分辨哪兩個(gè)抽頭屬于同一個(gè)繞組。帶6個(gè)抽頭的電機可能是一個(gè)雙相單極電機，也可能是一個(gè)三相雙極電機，具體情況可以通過(guò)測量導線(xiàn)之間的阻抗來(lái)確定。

表1 雙相電機動(dòng)作過(guò)程中的繞組抽頭極性

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(shí)現，也可以用微控制器或DSP實(shí)現。圖8說(shuō)明了如何用晶體管作為開(kāi)關(guān)來(lái)控制雙相單極電機。每個(gè)晶體管的基極都要通過(guò)一個(gè)電阻連接到微控制器的一個(gè)數字輸出上，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(gè)晶體管的發(fā)射極均接地，集電極連到電機繞組的4個(gè)抽頭。電機的中心抽頭均連接到電源電壓的正端。

每個(gè)晶體管的集電極均通過(guò)一個(gè)二極管連接到電壓源，以保護晶體管不被旋轉時(shí)電機繞組上的感應電流燒壞。轉子旋轉時(shí)，電機繞組上會(huì )出現一個(gè)感應電壓，如果晶體管集電極沒(méi)有通過(guò)二極管連接到電壓源，感應電壓造成的電流就會(huì )涌入晶體管的集電極。

表2：雙相電機動(dòng)作過(guò)程中開(kāi)關(guān)的位置

舉個(gè)例子，假設數字輸出do1為高而do2為低，于是do1會(huì )使晶體管T1導通，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(shí)do2處于斷開(kāi)狀態(tài)，因此電流無(wú)法流經(jīng)T2。這樣推理下去，我們就能將表3改為驅動(dòng)電機所需的微控制器數字輸出的改變順序。

一旦清楚了驅動(dòng)電機所需的硬件和數字輸出的順序，我們就可以對最順手的微控制器或DSP編寫(xiě)軟件，實(shí)現這些序列。

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(shí)現了以上談到的電機控制器。PIC的PortA第0位到第3位用來(lái)做數字輸出。電機采用在Jameco購買(mǎi)的5V雙相單極電機(Airpax [Thomson]生產(chǎn)，型號為M82101-P1)，并且用同一個(gè)5V電源為PIC和電機供電。但在真正應用時(shí)，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毫秒旋轉電機一次。首先，程序會(huì )將微控制器的數字輸出初始化為表4中第一步的值，然后每隔50毫秒(此時(shí)間常數由程序中的常量waitTime定義)按照正確的順序循環(huán)輸出數字信號。若需使電機反向旋轉，只需按與表4所示相反的順序輸出數字信號即可。

本人所用的電機為24極電機，即每一步輸出可以控制電機旋轉180°/24=7.5°。電機每50毫秒旋轉7.5°，也就是每2.4秒轉一周。如果將常量waitTime減小一半，電機轉速會(huì )加快一倍。但因為轉子受慣性、摩擦力和其他機械限制，所以電機轉速有一個(gè)上限，當定子磁場(chǎng)旋轉過(guò)快時(shí)，轉子的轉速無(wú)法跟上，導致電機的旋轉也無(wú)法跟上，開(kāi)始跳動(dòng)(skipping)。如果這時(shí)再降低歐姆aitTime，電機很可能干脆就停止旋轉。

除了本文重點(diǎn)討論的雙相電機以外，步進(jìn)電機還有其他類(lèi)型，如三相步進(jìn)電機或四相步進(jìn)電機。另外還有一些雙相步進(jìn)電機，它們只有一個(gè)中心抽頭，同時(shí)連接到兩個(gè)繞組的中心點(diǎn)，這類(lèi)步進(jìn)電機外部有5個(gè)抽頭引出。

同樣，步進(jìn)電機也不是電機家族中的唯一成員，最古老也最簡(jiǎn)單的電機是直流(DC)電機。早期的直流電機使用電刷，現在已經(jīng)不再流行。如今常見(jiàn)的無(wú)刷直流電機，就是利用電子線(xiàn)路代替電刷進(jìn)行換向的直流電機，這類(lèi)電機中不存在電刷老化問(wèn)題，因此其壽命比有刷直流電機長(cháng)很多。

還有一種感應電機，其工作原理與步進(jìn)電機或直流電機完全不同。直流電機采用的是直流電壓源，而感應電機則采用交流(AC)電壓源，并且步進(jìn)電機和直流電機中轉子與定子磁場(chǎng)的旋轉是同步的，而感應電機中轉子的轉速滯后于定子磁場(chǎng)的轉速。