數(shù)控機(jī)床中分頻段調(diào)壓的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

王悅善

（重慶三峽學(xué)院，重慶 404004）

0 引言

步進(jìn)電機(jī)具有僅有周期性誤差、精度高、能夠用改變脈沖頻率達(dá)到調(diào)速和正反轉(zhuǎn)控制等，因?yàn)檫@些顯著的特點(diǎn)，它已經(jīng)成為機(jī)電一體化的一個(gè)重要產(chǎn)品，在自動(dòng)化控制中得到廣泛運(yùn)用。配合微電子及計(jì)算機(jī)的發(fā)展，尤其是數(shù)控系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的需求日益增加，全世界都在大力發(fā)展這一技術(shù)，我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展也取得了不少進(jìn)步，自主研發(fā)了適合國(guó)情的各種數(shù)控系統(tǒng)，這對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制的研究也很重要。

1 數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。它的控制系統(tǒng)可以處理控制編碼或者別的符號(hào)指令規(guī)定的程序，在進(jìn)行譯碼，使得機(jī)床動(dòng)作數(shù)控折彎?rùn)C(jī)。

數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床比具有以下五個(gè)特點(diǎn)：

1）加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定；

2）多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，能加工復(fù)雜零件；

3）遇到改變零件時(shí)，通常只要修改程序；

4）機(jī)床的剛性大、精度高，生產(chǎn)率高；

5）高程度的自動(dòng)化，有效減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

數(shù)控機(jī)床的分類按照控制方式可以分為開(kāi)環(huán)控制、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制。開(kāi)環(huán)控制不帶位置反饋裝置，本文介紹開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路。

2 步進(jìn)電機(jī)原理分析

2.1 步進(jìn)電機(jī)概述

步進(jìn)電機(jī)是一種受到脈沖信號(hào)控制，并將信

號(hào)轉(zhuǎn)化成直線位移或者角位移的控制電機(jī)。它可當(dāng)做一種特殊的同步電動(dòng)機(jī)，供給電脈沖，它的運(yùn)動(dòng)形式是步進(jìn)式的，因此叫做步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)是改變脈沖頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。其步距角和轉(zhuǎn)速均不會(huì)被電壓波動(dòng)和負(fù)載變化影響。它在固定的步數(shù)下運(yùn)動(dòng)，因此其誤差步距不會(huì)長(zhǎng)期積累。它廣泛用于數(shù)控開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，簡(jiǎn)單又可靠。

步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要有定位精度高，無(wú)步距累積誤差；開(kāi)環(huán)運(yùn)行機(jī)制降低了成本，可靠性高，在數(shù)控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)的噪聲和振動(dòng)很大，在自然振蕩頻率附近運(yùn)行時(shí)容易共振，輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高下降，需要通過(guò)改善驅(qū)動(dòng)器來(lái)提升步進(jìn)電機(jī)的性能。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和控制器三大部分組成。當(dāng)電機(jī)和負(fù)載確定后，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能就由驅(qū)動(dòng)控制方式來(lái)決定。驅(qū)動(dòng)方式具體可按如下分類：

1）恒電壓驅(qū)動(dòng)方式

（1）單電壓驅(qū)動(dòng)

在電機(jī)繞組過(guò)程中，只一個(gè)方向電壓供電。（2）高低壓驅(qū)動(dòng)

使通電時(shí)繞組迅速至設(shè)定電流，關(guān)斷時(shí)繞組電流立刻衰減為零，又具有較高效率。

2）恒電流斬波驅(qū)動(dòng)方式

（1）自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)

將繞組電流值轉(zhuǎn)化成一定比例的電壓，比較D/A轉(zhuǎn)換器的預(yù)設(shè)值，實(shí)現(xiàn)控制功率管的開(kāi)關(guān)，控制繞組相電流。

（2）它激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)

在D觸發(fā)器加一個(gè)固定頻率的時(shí)鐘來(lái)解決自激式的浪涌電壓?jiǎn)栴}，但仍然存在其它問(wèn)題。

3)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式

是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制的一大突破。細(xì)分驅(qū)動(dòng)是每次脈沖切換時(shí)，只改變相應(yīng)繞組中部分電流，合成磁勢(shì)也僅旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，繞組電流是階梯波，額定電流是臺(tái)階式的投入或切除。

2.3 工作原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角越小，它能達(dá)到的位置精度越高。步矩角一般為1.5°或0.75°。因此要把轉(zhuǎn)子制成多極式，并在定子磁極上制成小齒，要和轉(zhuǎn)子磁極上的小齒規(guī)格完全相同。當(dāng)一相定子磁極的小齒對(duì)齊轉(zhuǎn)子的齒時(shí)，其它兩相磁極的小齒都是錯(cuò)過(guò)一個(gè)角度的。角度后一相比前一相的要大。

圖1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖

步距角的大小與通電方式和轉(zhuǎn)子齒數(shù)用公式計(jì)算：

Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m為運(yùn)行拍數(shù)，一般等于相數(shù)或其數(shù)倍，即m=KN(N是電動(dòng)機(jī)相數(shù)，K＝1為單拍， K＝2為雙拍)。

3 調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)

3.1 設(shè)計(jì)思路

步進(jìn)電機(jī)在高電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)能夠獲得較好的高頻特性，但是當(dāng)它在低頻工作時(shí)，由于繞組獲得能量過(guò)大，使力矩下降、噪聲加大，容易引起電機(jī)低頻振蕩甚至發(fā)生共振，使得步進(jìn)電機(jī)可靠性降低，會(huì)因?yàn)殡娏魈蠖鴵p壞電機(jī)。

本文提出的是利用單片機(jī)消除低頻振蕩，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)頻調(diào)壓，方法簡(jiǎn)單，效果卻十分滿意。要讓電壓隨著工作頻率而變化，分頻段調(diào)壓是最簡(jiǎn)單的方法，其中最少要將步進(jìn)電機(jī)分成2段。具體的方法是用單片機(jī)8031和CD4051實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓的步進(jìn)電機(jī)。用8031檢測(cè)的脈沖頻率控制CD4051模擬開(kāi)關(guān)，達(dá)到調(diào)整步進(jìn)電機(jī)電源電壓的目的。分頻段調(diào)壓具有不容易發(fā)生誤操作和控制器配套方便的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 單片機(jī)

8031是最常見(jiàn)的MCS51系列的單片機(jī)系統(tǒng)，是INTEL公司最成熟的產(chǎn)品，應(yīng)用范圍廣泛。它相當(dāng)于一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，將一個(gè)系統(tǒng)集成到芯片上。它是在線式實(shí)時(shí)控制、要求有較強(qiáng)的抗干擾能力，成本較低。它具有集成度高；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、模塊化；可靠性強(qiáng)；功能強(qiáng)、速度快等優(yōu)點(diǎn)。圖2為單片機(jī)8031的管腳圖。

圖2 8031管腳圖

3.3 CD4051模擬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

CD4051是一個(gè)八選一的模擬開(kāi)關(guān)。它是一個(gè)帶有禁止端和三位譯碼端控制的8路模擬開(kāi)關(guān)電路；各個(gè)模擬開(kāi)關(guān)都是雙向傳輸信號(hào)。圖3為CD4051的管腳圖。

各管腳功能如下：

CP 接CPU脈沖信號(hào)

POTO 接CPU+5V

圖3 CD4051邏輯功能管腳圖

FREE 脫機(jī)，和CPU地線連接，驅(qū)動(dòng)電源不工作

DIR 方向控制，電機(jī)反轉(zhuǎn)VCC 直流電源正端GND 直流電源負(fù)接A 連接電機(jī)引出線紅線B 連接電機(jī)引出線黃線

3.4 電路設(shè)計(jì)

圖4為單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的原理圖。單片機(jī)提供三個(gè)控制信號(hào)給模擬開(kāi)關(guān)：CP脈沖，一個(gè)讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角；DIR，方向電平；FREE低電平時(shí)，脫機(jī)狀態(tài)，節(jié)省電源。

圖4 調(diào)頻調(diào)壓線路圖

圖中R0～R7 幾個(gè)電阻可以按照具體情況進(jìn)行設(shè)置。按照脈沖頻率的變化，取到相應(yīng)的電阻值，實(shí)現(xiàn)將步進(jìn)電機(jī)的電源電壓分成幾段。模擬開(kāi)關(guān)CD4051的二進(jìn)制控制輸入端分別為A、B、C，不斷變換C, B, A的值（000～111），一共有8種狀態(tài)，選擇一種狀態(tài)，使得輸入和輸出接通。當(dāng)禁止端(INH)＝“1”，即不接通，斷開(kāi)狀態(tài)，若INH＝“0”，為接通狀態(tài)，其真值表為表1。

表1 CD4051真值表

4 結(jié)論

本文介紹了數(shù)控機(jī)床中開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)用到的步進(jìn)電機(jī)。詳細(xì)介紹了步進(jìn)電機(jī)的原理及其驅(qū)動(dòng)方式，然后選擇了調(diào)頻調(diào)壓的驅(qū)動(dòng)方式來(lái)減輕或消除步進(jìn)電機(jī)低頻振蕩的問(wèn)題。使用單片機(jī)作為控制的核心，結(jié)合模擬開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)便、易于控制、操作可靠，具有廣闊的前景。

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