步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)

1、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)徐孝同(安徽雷鳴科化股分有限公司 , 安徽 淮北 235000摘 要 :闡述了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理 , 介紹了恒流斬波 、 脈寬調(diào)制及細(xì)分驅(qū)動(dòng)等步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 和設(shè)計(jì)中的相關(guān)技術(shù) , 并給出了實(shí)現(xiàn)方案 。關(guān)鍵詞 :步進(jìn)電機(jī) ; 恒流斬波 ; 脈寬調(diào)制 ; 細(xì)分驅(qū)動(dòng) ; 單片機(jī) 中圖分類號(hào) :TM32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1008-8725(2004 08-0015-020 引言作為一種把數(shù)字電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的機(jī)電 元件 , 步進(jìn)電機(jī)具有控制簡(jiǎn)單 、 價(jià)格低 、 維護(hù)容易 、 定位精度 高 、 無累積位置誤差 、 可自鎖 、 控制成本低等特點(diǎn)而

2、得到廣泛 應(yīng)用 。 但步進(jìn)電機(jī)的性能依賴于驅(qū)動(dòng)電路的控制方式 。因 此 , 研制性能優(yōu)良的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及智能化控制系統(tǒng)非常 必要 , 而其目前在許多控制范圍內(nèi)仍是一個(gè)棘手的問題 。因 此 , 本文就是想通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制方法的分析和研究 , 尋 求制作和設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制器的方法 , 以便做出滿足工業(yè)和 科研需要的步進(jìn)電機(jī)控制器 。1 脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)原理脈寬調(diào)制方式是一種供電電壓比電機(jī)額定供電電壓高 得多的情況下而采用斬波方式使電動(dòng)機(jī)繞組電流從低速到 高速運(yùn)行范圍內(nèi)保持恒定的一種驅(qū)動(dòng)方式 , 其工作原理如圖 1所示 。 工作中 , 由單片機(jī)或環(huán)形分配器送來的步進(jìn)電機(jī)脈 沖控制信號(hào)與 V P W

3、M 端輸入的 PW M 脈沖寬度調(diào)制信號(hào)相與 , 則在與門 Y 的輸出端產(chǎn)生受控于 V I N 的間歇脈沖序列 Vb , 這 個(gè)脈沖序列使功放管 T 處于高頻開關(guān)狀態(tài) , 從而在步進(jìn)電機(jī) 的繞組上產(chǎn)生如圖 2所示的電流 I L 。通過改變?cè)撁}沖序列 的占空比或電源電壓則可改變繞組中穩(wěn)態(tài)電流的大小 。 當(dāng) T 關(guān)斷時(shí) , 繞組電流經(jīng) Rd ,D 構(gòu)成泄放回路續(xù)流 12。圖 1 脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)原理圖圖 2 繞組電流圖高頻脈沖序列脈寬的減小可以粗略地認(rèn)為等效于電源 電壓的減小 , 但是它對(duì)應(yīng)的電流波形并不如純粹的低壓功放 電路那樣上升緩慢 , 因它具有較好的高頻特性 , 從而不會(huì)在電流上升的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生

4、過量的能量 , 使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)得多 , 有效地抑制了低頻共振現(xiàn)象 , 因此該電路又稱為斬波平滑功 放電路 。該電路的另一個(gè)特點(diǎn)是效率的提高尤其明顯 , 在輸出功 率相同的情況下 , 斬波平滑功放只需普通單電壓功放電路大 約一半的輸入功率 。2 細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式211 細(xì)分原理分析步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路 , 如果按照環(huán)形分配器決定的分配方 式 , 控制電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或截止 , 從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生 步進(jìn)所需的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子步進(jìn)旋轉(zhuǎn) , 則步距角只有二 種 , 即整步工作或半步工作 , 步距角已由電機(jī)結(jié)構(gòu)所確定 。 如果要求步進(jìn)電機(jī)有更小的步距角 , 更高的分辨率 , 或者為 了電機(jī)振動(dòng) 、 噪聲等原因

5、 , 可以在每次輸入脈沖切換時(shí) , 只改 變相應(yīng)繞組中額定的一部分 , 則電機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步 距角的一部分 , 轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)行也只有步距角的一部分 。這 里 , 繞組電流不是一個(gè)方波 , 而是階梯波 , 額定電流是臺(tái)階式 的投入或切除 , 電流分成多少個(gè)臺(tái)階 , 則轉(zhuǎn)子就以同樣的次 數(shù)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角 , 這種將一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng) 方法 , 稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng) 。 在國(guó)外 , 對(duì)于步進(jìn)系統(tǒng) , 主要采用二相 混合式步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器 。但在國(guó)內(nèi) , 廣大用戶 對(duì) “ 細(xì)分” 還不是特別了解 , 有的只是認(rèn)為 , 細(xì)分是為了提高 精度 , 其實(shí)不然 , 細(xì)分主要是改善電機(jī)的運(yùn)行性

6、能 。由于細(xì) 分驅(qū)動(dòng)器要精確控制電機(jī)的相電流 , 所以對(duì)驅(qū)動(dòng)器要有相當(dāng) 高的技術(shù)要求和工藝要求 , 成本亦會(huì)較高 3。圖 3給出了三相步進(jìn)電機(jī)八細(xì)分時(shí)的各相電流狀態(tài) 。 由于各相電流是以 14的步距上升或下降的 , 原來一步所轉(zhuǎn) 過的角度 將由八步完成 , 實(shí)現(xiàn)了步距角的八細(xì)分 。由此可 見 , 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵在于細(xì)分步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞 組中的電流 。圖 3 電流狀態(tài)圖212 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路為了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的相電流進(jìn)行控制 , 從而達(dá)到細(xì)分步進(jìn) 電機(jī)步距角的目的 , 人們?cè)O(shè)計(jì)了很多種步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū) 動(dòng)電路 。 隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展 , 特別是單片計(jì)算機(jī)的出 現(xiàn) , 為步進(jìn)電機(jī)的

7、細(xì)分驅(qū)動(dòng)帶來了便利 。目前 , 步進(jìn)電機(jī)細(xì) 分驅(qū)動(dòng)電路大多數(shù)都采用單片微機(jī)控制 , 它們的構(gòu)成框圖如 圖 4所示 。 單片機(jī)根據(jù)要求的步距角計(jì)算出各相繞組中通 過的電流值 , 并輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (D A 中 , 由 D A 把數(shù)字量 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓 , 經(jīng)過環(huán)形分配器加到各相的功放電 路上 , 控制功放電路給各相繞組通以相應(yīng)的電流 , 來實(shí)現(xiàn)步 進(jìn)電機(jī)的細(xì)分 。 單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路根據(jù) 末級(jí)功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開關(guān)型兩種 (見下圖 5 46。收稿日期 :2004-04-08; 修訂日期 :2004-06-03作者簡(jiǎn)介 :徐孝同 (1973- , 男 , 安徽淮北

8、人 , 助理工程師 , 一直從事機(jī)電技術(shù)管理工作 。第 23卷第 8期 2004年 8月 煤 炭 技 術(shù) C oal T echnology V ol 123,N o 18Aug ,2004QJ Z 2-3001140S 型起動(dòng)器控制回路的線路改進(jìn) 桑淑麗(安徽省宿州市桃園煤礦 , 安徽 宿州 234116摘 要 :通過對(duì) Q J Z 2 3001140S 本安型雙保護(hù)真空磁力起動(dòng)器控制回路進(jìn)行改進(jìn) , 使它作為采煤工作面總控制開 關(guān) , 從而保證煤礦電氣設(shè)備安全可靠的運(yùn)行 。關(guān)鍵詞 :啟動(dòng)器 ; 控制回路 ; 改進(jìn)中圖分類號(hào) :TM57 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1008-8725(20

9、04 08-0016-020 前言煤礦 采 煤 工 作 面 刮 板 輸 送 機(jī) 總 控 制 開 關(guān) 往 往 采 用 DW80 350饋電開關(guān) 。 DW80 350饋電開關(guān)以其重量輕 、 調(diào) 節(jié)簡(jiǎn)單 、 瓦斯斷電控制回路控制停送電方便而倍受廣大采區(qū) 電工喜愛 , 很多采掘工作面均采用此饋電開關(guān)作為總控制開 關(guān) 。 但是按照 煤礦安全規(guī)程 第 456條規(guī)定 “井下配電網(wǎng)絡(luò) 均應(yīng)裝設(shè)過流 、 短路保護(hù)裝置 ” ,DW80 350饋電開關(guān)不 能滿足 煤礦安全規(guī)程 需要 , 在保證電氣設(shè)備更安全的要求 下 , 徐州煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)的 Q J Z2 3001140S 本安型雙保護(hù) 真空磁力起動(dòng)器適合作采煤工

10、作面刮板輸送機(jī)總控制開關(guān) 。 因?yàn)樵搯?dòng)器采用雙重化電子綜合保護(hù)電路 , 具有失壓 、 短 路 、 過載 、 漏電閉鎖 、 斷相保護(hù)以及短路能力閉鎖保護(hù) , 并且 具有過載 、 漏電 、 斷相 、 過流 、 短路 、 電源 、 運(yùn)行顯示 。圖 4 推圖圖 5 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路放大型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中末級(jí)功放管的輸出電流直接受單片機(jī)輸出的控制電壓控制 , 電路較簡(jiǎn)單 , 電流的控制精度也較高 , 但是由于末級(jí)功放管工作在放大狀態(tài) , 使功放管上的功耗較大 , 發(fā)熱嚴(yán)重 , 容易引起晶體管的溫漂 , 影響驅(qū)動(dòng)電路的性能 。 甚至還可能由于晶體管的熱擊穿 , 使電路不能正常工作 。因此該驅(qū)動(dòng)

11、電路一般應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)電流較小 、 控制精度較高 、 散熱情況較好的場(chǎng)合 。開關(guān)型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中的末級(jí)功放管工作在開關(guān)狀態(tài) , 從而使得晶體管上的功耗大大降低 , 克服了放大型細(xì)分電路中晶體管發(fā)熱嚴(yán)重的問題 。但電路較復(fù)雜 , 輸出的電流有一定的波紋 。因此該驅(qū)動(dòng)電路一般用于輸出力矩較大的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 。隨著大輸出力矩步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展 , 開關(guān)型細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路近年 來得到長(zhǎng)足的發(fā)展 。 目前 , 最常用的開關(guān)型步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū) 動(dòng)電路有斬波式和脈寬調(diào)制 (PW M 式兩種 。斬波式細(xì)分驅(qū) 動(dòng)電路的基本工作原理是對(duì)電機(jī)繞組中的電流進(jìn)行檢測(cè) , 和 D A 輸出的控制電壓進(jìn)行比較 , 若檢測(cè)出的電

12、流值大于控制 電壓 , 電路將使功放管截止 , 反之 , 使功放管導(dǎo)通 。這樣 ,D A 輸出不同的控制電壓 , 繞組中將流過不同的電流值 。脈寬調(diào) 制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路是把 D A 輸出的控制電壓加在脈寬調(diào)制 電路的輸入端 , 脈寬調(diào)制電路將輸入的控制電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng) 脈沖寬度的矩形波 , 通過對(duì)功放管通斷時(shí)間的控制 , 改變輸 出到電機(jī)繞組上的平均電流 。由于電機(jī)繞組是一個(gè)感性負(fù) 載 , 對(duì)電流有一定的波波作用 , 而且脈寬調(diào)制電路的調(diào)制頻 率較高 , 一般大于 20kH z , 因此 , 雖然是斷續(xù)通電 , 但電機(jī)繞 組中的電流還是較平穩(wěn)的 。 和斬波式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路相比 , 脈 寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)

13、動(dòng)電路的控制精度高 , 工作頻率穩(wěn)定 , 但線 路較復(fù)雜 。 因此 , 脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路多用于綜合驅(qū)動(dòng) 性能要求較高的場(chǎng)合 。3 結(jié)論該論文闡述了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法和技術(shù) , 讀者 根據(jù)它可以設(shè)計(jì)出符合控制要求的高性能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 器 。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器廣泛用于工礦企業(yè)中的數(shù)控電子設(shè)備 的精確開環(huán)控制 , 以滿足工業(yè)自動(dòng)化要求 。參考文獻(xiàn) :1 李朝清 1單片機(jī)原理及接口技術(shù) M1北京 :北京航空航天大 學(xué)出版社 ,199212 劉寶廷 1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng) M1哈爾濱 :哈爾濱 工業(yè)大學(xué)出版社 ,199713 王季秩 1電機(jī)實(shí)用技術(shù) M1上海 :上?？茖W(xué)出版社 ,199

14、81 4 李華 1MCS 51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù) M1北京 :北京航空 航天大學(xué)出版社 ,200015 戴梅萼 1微機(jī)計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用 M1北京 :清華大學(xué)出版社 , 198616 劉愛和 . 步進(jìn)電機(jī)新型恒流驅(qū)動(dòng)電流 J.微特電機(jī) ,1992, (5 . Driving technique of stepper motorX U X iao -tong(Leiming Science &Chemical C o Ltd ,Huaibei 235000,China Abstract :Thispaper expounds the driving principle of stepper m otor ,introduces the related techniique and control principle of constant current chopping ,pulse width m odulation and subvision driving etc. stepper circuit structure design method and puts forward the plan.K ey w ords :stepperm otor ; chopping ; pulse width m odula