基于MCU和DSP的步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)

單極電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器

前面我們已經(jīng)討論了雙極步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。單極電機(jī)與雙極電機(jī)類似，不同的是在單極電機(jī)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(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(shí)我們會(huì)遇到一些抽頭沒(méi)有標(biāo)注的電機(jī)，如果我們清楚步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造，就很容易通過(guò)測(cè)量抽頭之間的阻值，識(shí)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(cè)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。

圖8

圖7給出一個(gè)單極電機(jī)的單相驅(qū)動(dòng)電路。從中可以看出，當(dāng)S1閉合而S2斷開(kāi)時(shí)，電流將由右至左流經(jīng)電機(jī)繞組；而當(dāng)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(jī)中需要4個(gè)開(kāi)關(guān)才能做到)。表3所示為單極電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，每一步激勵(lì)時(shí)開(kāi)關(guān)所處的位置。

雖然單極電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器控制起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于在電機(jī)中使用了中心抽頭，因此它比雙極電機(jī)更復(fù)雜，而且其價(jià)格通常比雙極電機(jī)貴。此外，由于電流只流經(jīng)一半的電機(jī)繞組，所以單極電機(jī)只能產(chǎn)生一半的磁場(chǎng)。

在知道了單極電機(jī)和雙極電機(jī)的構(gòu)造原理之后，當(dāng)我們遇到一個(gè)沒(méi)有標(biāo)示抽頭也沒(méi)有數(shù)據(jù)手冊(cè)的電機(jī)時(shí)，我們就能自己推導(dǎo)出抽頭和繞組的關(guān)系。帶4個(gè)抽頭的電機(jī)就是一個(gè)雙相雙極電機(jī)，我們可以通過(guò)測(cè)量導(dǎo)線之間的阻抗來(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(jī)可能是一個(gè)雙相單極電機(jī)，也可能是一個(gè)三相雙極電機(jī)，具體情況可以通過(guò)測(cè)量導(dǎo)線之間的阻抗來(lái)確定。

表1 雙相電機(jī)動(dòng)作過(guò)程中的繞組抽頭極性

電機(jī)控制

本文前面討論的電機(jī)控制理論可以采用全硬件方案實(shí)現(xiàn)，也可以用微控制器或DSP實(shí)現(xiàn)。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(jī)。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(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(gè)晶體管的發(fā)射極均接地，集電極連到電機(jī)繞組的4個(gè)抽頭。電機(jī)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(hù)晶體管不被旋轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)繞組上的感應(yīng)電流燒壞。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)繞組上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)感應(yīng)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(yīng)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(jī)動(dòng)作過(guò)程中開(kāi)關(guān)的位置

舉個(gè)例子，假設(shè)數(shù)字輸出do1為高而do2為低，于是do1會(huì)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(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(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)電機(jī)所需的硬件和數(shù)字輸出的順序，我們就可以對(duì)最順手的微控制器或DSP編寫(xiě)軟件，實(shí)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(dá)靈頓晶體管實(shí)現(xiàn)了以上談到的電機(jī)控制器。PIC的PortA第0位到第3位用來(lái)做數(shù)字輸出。電機(jī)采用在Jameco購(gòu)買(mǎi)的5V雙相單極電機(jī)(Airpax [Thomson]生產(chǎn)，型號(hào)為M82101-P1)，并且用同一個(gè)5V電源為PIC和電機(jī)供電。但在真正應(yīng)用時(shí)，為避免給微控制器的電源信號(hào)引入噪聲，建議大家還是分別用不同的電源為電機(jī)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(jī)一次。首先，程序會(huì)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(shí)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(hào)。若需使電機(jī)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(hào)即可。

本人所用的電機(jī)為24極電機(jī)，即每一步輸出可以控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°/24=7.5°。電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)加快一倍。但因?yàn)檗D(zhuǎn)子受慣性、摩擦力和其他機(jī)械限制，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速有一個(gè)上限，當(dāng)定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)過(guò)快時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速無(wú)法跟上，導(dǎo)致電機(jī)的旋轉(zhuǎn)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(jī)很可能干脆就停止旋轉(zhuǎn)。

除了本文重點(diǎn)討論的雙相電機(jī)以外，步進(jìn)電機(jī)還有其他類型，如三相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)。另外還有一些雙相步進(jìn)電機(jī)，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)，這類步進(jìn)電機(jī)外部有5個(gè)抽頭引出。

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

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