基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)研究總結(jié)

白正勤 韓 震 劉旭東

（中國(guó)人民解放軍海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽 蚌埠233012）

1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

1.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路

由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能和運(yùn)行質(zhì)量在很大程度上取決于其驅(qū)動(dòng)控制器的結(jié)構(gòu)與性能，同一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)配合不同類型的驅(qū)動(dòng)器，其運(yùn)行品質(zhì)會(huì)有很大的不同，因此，從某種意義上說(shuō)，驅(qū)動(dòng)器性能的優(yōu)劣直接影響著系統(tǒng)的最終運(yùn)行效果?，F(xiàn)代的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)逐漸開(kāi)始采用帶有繞組電流反饋的閉環(huán)控制。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)方式的不同主要有以下幾種類型：

1.1.1 單雙極驅(qū)動(dòng)

混合式步進(jìn)電機(jī)即可以單極驅(qū)動(dòng)，也可以雙極驅(qū)動(dòng)。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)而言，進(jìn)行雙極驅(qū)動(dòng)的主要目的是能夠不斷的為電機(jī)向正向電流發(fā)展提供條件，在向正向電流發(fā)展的同時(shí)也向反向電流發(fā)展。通常為了簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，常采用單極性驅(qū)動(dòng)。即把步進(jìn)電機(jī)的中心抽頭的一相分為兩相，當(dāng)其中一相正向通電時(shí)，另外一相則反向通電，這樣就可通過(guò)單極性供電從而實(shí)現(xiàn)正反向勵(lì)磁的目的。單極雙極驅(qū)動(dòng)的原理分別如圖1-1和圖1-2所示：

圖1-1 單極性驅(qū)動(dòng)

圖1-2 雙極性驅(qū)動(dòng)

1.1.2 高低壓驅(qū)動(dòng)

高低壓驅(qū)動(dòng)方式是為了解決步進(jìn)電機(jī)高頻時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩低的缺陷而提出的。高低壓驅(qū)動(dòng)需要兩種等級(jí)的電源電壓，即步進(jìn)電機(jī)額定工作電壓和高額定電壓幾倍的電源電壓，以此來(lái)提高電流的前沿陡度。高低壓驅(qū)動(dòng)的核心思想是無(wú)論電機(jī)工作轉(zhuǎn)速是多少，每當(dāng)一相導(dǎo)通時(shí)，都用高壓來(lái)供電從而來(lái)提升電流上升速率，之后再切換到低電壓來(lái)維持相電流。其原理如圖1-3所示：

圖1-3 高低壓驅(qū)動(dòng)方式

1.1.3 恒流斬波驅(qū)動(dòng)

在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，在實(shí)際的相關(guān)應(yīng)用中比較常見(jiàn)的方式是恒流斬波的驅(qū)動(dòng)方式（如圖1-4所示）。此種方式在運(yùn)用中的主要特點(diǎn)是在運(yùn)用的過(guò)程中供電的電壓相對(duì)較高，相比電機(jī)的額定電壓會(huì)高處好幾倍，通過(guò)對(duì)斬波方式的運(yùn)用，在電機(jī)工作的過(guò)程中主要從低速向高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，要保持機(jī)電的恒定電流，進(jìn)而為電機(jī)輸出力矩不變做準(zhǔn)備。

圖1-4 恒流斬波驅(qū)動(dòng)

1.1.4 變頻變壓驅(qū)動(dòng)

前面所述各種驅(qū)動(dòng)方式，他們的共同思想都是希望能夠使通過(guò)電機(jī)繞組的電流能夠快速上升，以提高電機(jī)的高頻工作品質(zhì)，這樣做的后果往往會(huì)帶來(lái)低頻振動(dòng)加劇的后果。為了克服低頻振動(dòng)，在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，應(yīng)使繞組電流緩慢上升，因此我們需要在驅(qū)動(dòng)器的供電電壓和電機(jī)工作的頻率之間建立一定的聯(lián)系。調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)方式的提出正好可以解決這一問(wèn)題，其核心是：隨著步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速率的提高，同時(shí)提高驅(qū)動(dòng)電路的電源電壓，用以補(bǔ)償因運(yùn)行頻率上升而引起的輸出力矩的下降；當(dāng)其運(yùn)行頻率降低時(shí)，功率驅(qū)動(dòng)電路電源也隨著降低。但目前該方法還未曾在工業(yè)上應(yīng)用。

1.2 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)算法

在70年代的中期步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)算法就已經(jīng)出現(xiàn)，在此之后的20年里，細(xì)分驅(qū)動(dòng)算法又得到了進(jìn)一步的發(fā)展，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得以廣泛的應(yīng)用，有向更廣泛的領(lǐng)域滲透的趨勢(shì)。

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)有著特定的算法，主要體現(xiàn)在：在進(jìn)行每一次的脈沖切換時(shí)，不是單純的對(duì)那些流經(jīng)繞組的一些電流進(jìn)行全部的灌入或者是全部的切除，主要是對(duì)額定電流進(jìn)行一部分的灌入，在運(yùn)作的過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)該改變其中的一個(gè)極小的部分。在這一過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)階梯波。在工作中給兩相或者幾相不同的電機(jī)繞組進(jìn)行通入電流中，在不同的繞組會(huì)產(chǎn)生不相當(dāng)?shù)南嚓P(guān)矢量之和為零的地方就是在運(yùn)作的過(guò)程進(jìn)行細(xì)分之后的平衡位置。由于組成的矢量在空間上彼此相差90°，因此當(dāng)別離在對(duì)應(yīng)繞組上灌以相位上相差90°的正余弦電流時(shí)，則組成的電流矢量(或磁場(chǎng)矢量，電流矢量近似正比于磁場(chǎng)矢量)便在空間做均勻的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且幅值堅(jiān)持不變。

2 混合式步進(jìn)電機(jī)原理

2.1 混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

步進(jìn)電機(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子組成的。在運(yùn)作的過(guò)程中，定子還包括定子鐵芯和定子繞組，定子鐵芯主要是對(duì)一些硅鋼片進(jìn)行壓制而制成的，對(duì)于繞組的線圈來(lái)說(shuō)，主要是在外面裸露的一些銅導(dǎo)線，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中主要是運(yùn)用一些通電線圈進(jìn)行不斷驅(qū)動(dòng)的。在相對(duì)的徑直方向上是相對(duì)的一對(duì)磁極NS極，構(gòu)成一相繞組，纏繞在該對(duì)磁極上的線圈是串聯(lián)的。但線圈的繞相相反，因此通電時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也相反。對(duì)于兩相混合式步進(jìn)電機(jī)而言，其上共有八個(gè)線圈串聯(lián)成2相繞組，一端為N極時(shí)，另一端則為S極(如下圖2-1)，此外在每個(gè)定子的磁極邊緣鑲嵌有5到6個(gè)小齒，共有40或者48個(gè)齒。

圖2-1 兩相混合步進(jìn)電機(jī)繞組極性示意圖

轉(zhuǎn)子分為兩段齒環(huán)，每段50個(gè)齒，齒距角為7.2°，其小齒相對(duì)錯(cuò)開(kāi)1/2齒距，共同裝在一根軸承上，兩段轉(zhuǎn)子鐵芯當(dāng)軸向的磁鋼充磁后，分別呈現(xiàn)不同的磁性，即N段轉(zhuǎn)子、S段轉(zhuǎn)子。

2.2 混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理

對(duì)于磁通而言，在運(yùn)作的過(guò)程中主要是通過(guò)磁阻最小的一般路徑來(lái)完成的，在步進(jìn)電機(jī)的一些線圈中如果出現(xiàn)不通電的情況，磁通在運(yùn)作的過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)閉合的狀態(tài)，也就是從N極到S之間的閉合。為了簡(jiǎn)單，我們以齒距角為120°為例介紹其工作原理，其結(jié)構(gòu)圖如下圖2-2所示：

圖2-2 兩相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)1A相通電時(shí)，其產(chǎn)生保持力矩，2A相通電時(shí)，定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過(guò)90°，轉(zhuǎn)子在電磁力的拽動(dòng)下，轉(zhuǎn)過(guò)30°，即1/4齒距；然后在讓1B進(jìn)行相通電，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)成30°的夾角，如此這樣在做必要的單相通電，在做完4步之后，就會(huì)繞過(guò)一個(gè)人特殊的齒距角，在做完12步之后被視為旋轉(zhuǎn)一周。由于該過(guò)程中每一次通電僅有相應(yīng)的一相繞組通電，因此稱之為單四拍，其原理如下圖2-3所示：

圖2-3 單四拍工作原理

同樣的道理，當(dāng)1A相和2A相同時(shí)通電，則由于兩個(gè)定子產(chǎn)生的合吸力，使得轉(zhuǎn)子最初停在15°的位置，然后改變通電順序，即2A相和1B相通電，則轉(zhuǎn)子又旋轉(zhuǎn)30°的電角度，之后1B相和2B相通電，2B相和1A相通電，各吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)1/4的步距角，此種方式雖然也是每次轉(zhuǎn)過(guò)30°的電角度，但是由于每次給兩個(gè)線圈同時(shí)通電，產(chǎn)生的電磁力矩要比單四拍通電方式的力矩大，稱這種通電方式為雙四拍，如圖2-4所示：

圖2-4 雙四拍工作原理

基于上面所介紹的單四拍和雙四拍的工作方式，如果我們能夠在每?jī)蓚€(gè)單拍之間插進(jìn)一個(gè)雙拍，那么它就變成了八拍的工作模式了，每一步轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度就是15°，這樣就需要24步才可以使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周。我們稱這樣的工作方式為單，雙八拍。其工作模式如下圖2-5所示：

圖2-5 雙八拍工作原理

通過(guò)把這種思想延伸來(lái)看，如果我們?cè)趦上嗬@組中通以大小不同的電流，那么轉(zhuǎn)子就會(huì)在與合成力矩矢量相對(duì)應(yīng)的一個(gè)位置上，哪一繞組電流大，那么轉(zhuǎn)子就朝哪個(gè)方向偏移一些，利用這個(gè)現(xiàn)象，我們就可以使電機(jī)工作在微步距方式，例如對(duì)于兩相步進(jìn)電機(jī)我們分別通入正余弦階梯電流，理論上，就可以把一個(gè)整步距角實(shí)現(xiàn)任意的細(xì)分。

3 結(jié)論

綜上所述，本文主要對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行必要的探討和分析，介紹了不同的類型和特點(diǎn)，分析不同類型帶來(lái)的好處，為單片機(jī)的步進(jìn)機(jī)電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展提供保障，在傳統(tǒng)的一些驅(qū)動(dòng)控制策略發(fā)展過(guò)程中，對(duì)一些新型的相關(guān)的續(xù)流回路進(jìn)行分析，結(jié)合細(xì)分算法成功地應(yīng)用在整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

［1］唐穎.單片機(jī)原理應(yīng)及C51程序設(shè)計(jì)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2009.

［2］李伯成.單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,2008.

［3］陳志聰.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].廈門(mén):廈門(mén)大學(xué),2008.

［4］鄧立營(yíng).步進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制的研究[D].沈陽(yáng):東北大學(xué),2006.

［5］陳志聰.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用設(shè)計(jì)研究[D].廈門(mén):廈門(mén)大學(xué),2008.