分析步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)的功能和應(yīng)用

步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)滲透入我們生活的方方面面，本文介紹了一些重要的步進(jìn)電機(jī)相關(guān)技術(shù)，為開發(fā)人員基本了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理提供了足夠的信息，同時(shí)也介紹了用微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器控制步進(jìn)電機(jī)的方法。

步進(jìn)電機(jī)也叫步進(jìn)器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，人們?cè)缭?0世紀(jì)20年代就開始使用這種電機(jī)。隨著嵌入式系統(tǒng)(例如打印機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、玩具、雨刷、震動(dòng)尋呼機(jī)、機(jī)械手臂和錄像機(jī)等)的日益流行，步進(jìn)電機(jī)的使用也開始暴增。

不論在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、汽車還是娛樂業(yè)中，只要需要把某件物體從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，步進(jìn)電機(jī)就一定能派上用場(chǎng)。步進(jìn)電機(jī)有許多種形狀和尺寸，但不論形狀和尺寸如何，它們都可以歸為兩類：可變磁阻步進(jìn)電機(jī)和永磁步進(jìn)電機(jī)。本文重點(diǎn)討論更為簡(jiǎn)單也更常用的永磁步進(jìn)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造

如圖1所示，步進(jìn)電機(jī)是由一組纏繞在電機(jī)固定部件--定子齒槽上的線圈驅(qū)動(dòng)的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機(jī)中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。如果線圈中電流的流向如圖1所示，并且我們從電機(jī)頂部向下看齒槽的頂部，那么電流在繞兩個(gè)齒槽按逆時(shí)針流向流動(dòng)。根據(jù)安培定律和右手準(zhǔn)則，這樣的電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)北極向上的磁場(chǎng)。

現(xiàn)在假設(shè)我們構(gòu)造一個(gè)定子上纏繞有兩個(gè)繞組的電機(jī)，內(nèi)置一個(gè)能夠繞中心任意轉(zhuǎn)動(dòng)的永久磁鐵，這個(gè)可旋轉(zhuǎn)部分叫做轉(zhuǎn)子。圖2給出了一種簡(jiǎn)單的電機(jī)，叫做雙相雙極電機(jī)，因?yàn)槠涠ㄗ由嫌袃蓚€(gè)繞組，而且其轉(zhuǎn)子有兩個(gè)磁極。如果我們按圖2a所示方向給繞組1輸送電流，而繞組2中沒有電流流過，那么電機(jī)轉(zhuǎn)子的南極就會(huì)自然地按圖中所示，指向定子磁場(chǎng)的北極。

再假設(shè)我們切斷繞組1中的電流，而按圖2b所示方向給繞組2輸送電流，那么定子的磁場(chǎng)就會(huì)指向左側(cè)，而轉(zhuǎn)子也會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)，與定子磁場(chǎng)方向保持一致。

接著，我們?cè)賹⒗@組2的電流切斷，按照?qǐng)D2c的方向給繞組1輸送電流，注意：這時(shí)繞組1中的電流流向與圖2a所示方向相反。于是定子的磁場(chǎng)北極就會(huì)指向下，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其南極也指向下方。

然后我們又切斷繞組1中的電流，按照?qǐng)D2d所示方向給繞組2輸送電流，于是定子磁場(chǎng)又會(huì)指向右側(cè)，從而使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其南極也指向右側(cè)。

最后，我們?cè)僖淮吻袛嗬@組2中的電流，并給繞組1輸送如圖2a所示的電流，這樣，轉(zhuǎn)子又會(huì)回到原來的位置。

至此，我們對(duì)電機(jī)繞組完成了一個(gè)周期的電激勵(lì)，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一整圈。也就是說，電機(jī)的電頻率等于它轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械頻率。

如果我們用1秒鐘順序完成了圖2所示的這4個(gè)步驟，那么電機(jī)的電頻率就是1Hz。其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一周，因而其機(jī)械頻率也是1Hz?？傊粋€(gè)雙相步進(jìn)電機(jī)的電頻率和機(jī)械頻率之間的關(guān)系可以用下式表示：

fe=fm*P/2 (1)

其中，fe代表電機(jī)的電頻率，fm代表其機(jī)械頻率，而P則代表電機(jī)轉(zhuǎn)子的等距磁極數(shù)。

從圖2中我們還可以看出，每一步操作都會(huì)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90°，也就是說，一個(gè)雙相步進(jìn)電機(jī)每一步操作造成的旋轉(zhuǎn)度數(shù)可由下式表示：

1 step= 180°/P (2)

由等式(2)可知，一個(gè)雙極電機(jī)每動(dòng)作一次可以旋轉(zhuǎn)180°/2=90°，這與我們?cè)趫D2中看到的情形正好相符。此外，該等式還表明，電機(jī)的磁極數(shù)越多，步進(jìn)精度就越高。常見的是磁極數(shù)在12和200個(gè)之間的雙相步進(jìn)電機(jī)，這些電機(jī)的步進(jìn)精度在15°和 0.9°之間。

圖3給出的例子是一個(gè)雙相、6極步進(jìn)電機(jī)，其中包含3個(gè)永久磁鐵，因而有6個(gè)磁極。第一步，如圖3a所示，我們給繞組1施加電壓，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向其頂部的磁場(chǎng)，于是，轉(zhuǎn)子的南極(圖3a中紅色的“S”一端)轉(zhuǎn)向了該圖的上方。接著，在圖3b中，我們給繞組2施加電壓，定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向其左側(cè)的磁場(chǎng)。

于是，轉(zhuǎn)子的一個(gè)距離最近的南極轉(zhuǎn)向了圖的左方，即轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)了30°。第三步，在圖3c中，我們又向繞組1施加一個(gè)電壓，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向圖下方的磁場(chǎng)，從而又使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°到達(dá)圖3c所示的位置。而在圖3d中，我們給繞組2施加電壓，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向定子右側(cè)的磁場(chǎng)，再一次使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°，到達(dá)圖3d所示的位置。

最后，我們?cè)傧蚶@組1施加電壓，產(chǎn)生一個(gè)如圖3a所示的北極指向定子上方的磁場(chǎng)，使得轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°，結(jié)束一個(gè)電周期。如此可以看出，4步電激勵(lì)造成了120°的機(jī)械旋轉(zhuǎn)。也就是說，該電機(jī)的電頻率是機(jī)械頻率的3倍，這一結(jié)果符合等式(1)。此外，我們從圖3和等式(2)也能看出，該電機(jī)的轉(zhuǎn)子每一步旋轉(zhuǎn)30°。

如果同時(shí)向兩個(gè)繞組輸送電流，還能增大電機(jī)的扭矩，如圖4所示。這時(shí)，電機(jī)定子的磁場(chǎng)是兩個(gè)繞組各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)的矢量和，雖然這一磁場(chǎng)每一次動(dòng)作仍然只使電機(jī)旋轉(zhuǎn)90°，就象圖2和圖3中一樣，但因?yàn)槲覀兺瑫r(shí)激勵(lì)兩個(gè)電機(jī)繞組，所以此時(shí)的磁場(chǎng)比單獨(dú)激勵(lì)一個(gè)繞組時(shí)更強(qiáng)。由于該磁場(chǎng)是兩個(gè)垂直場(chǎng)的矢量和，因此它等于單獨(dú)每個(gè)場(chǎng)的2×1.414倍，從而電機(jī)對(duì)其負(fù)載施加的扭矩也成正比增大。

電機(jī)的激勵(lì)順序

既然我們知道了一系列激勵(lì)會(huì)使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，接下來就要設(shè)計(jì)硬件來實(shí)現(xiàn)所需的步進(jìn)序列。一塊能讓電機(jī)動(dòng)起來的硬件(或結(jié)合了硬件和軟件的一套設(shè)備)就叫做電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

從圖4中可以看出我們?cè)鯓蛹?lì)雙相電機(jī)的繞組才能使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，圖中，電機(jī)內(nèi)的繞組抽頭分別被標(biāo)為1A、1B、2A和2B。其中，1A和1B是繞組1的兩個(gè)抽頭，2A和2B則是繞組2的兩個(gè)抽頭。

首先，要給腳1B和2B施加一個(gè)正電壓，并將1A和2A接地。然后，給腳1B和2A施加一個(gè)正電壓，而將1A和2B接地，這一過程其實(shí)取決于導(dǎo)線繞齒槽纏繞的方向，假設(shè)導(dǎo)線纏繞的方向與上一節(jié)所述相符。依次進(jìn)行下去，我們就得到了表1中總結(jié)的激勵(lì)順序，其中，“1”表示正電壓，“0”表示接地。

電流在電機(jī)繞組中有兩種可能的流向，這樣的電機(jī)就叫做雙極電機(jī)和雙極驅(qū)動(dòng)序列。雙極電機(jī)通常由一種叫做H橋的電路驅(qū)動(dòng)，圖5給出了連接H橋和步進(jìn)電機(jī)兩根抽頭的電路。

H橋通過一個(gè)電阻連接到一個(gè)電壓固定的直流電源(其幅度可根據(jù)電機(jī)的要求選取)，然后，該電路再經(jīng)過4個(gè)開關(guān)(分別標(biāo)為S1、S2、S3和S4)連接到繞組的兩根抽頭。這一電路的分布看起來有點(diǎn)象一個(gè)大寫字母H，因此叫做H橋。

從表1中可以看出，要激勵(lì)該電機(jī)，第一步應(yīng)將抽頭2A設(shè)為邏輯0，2B設(shè)為邏輯1，于是，我們可以閉合開關(guān)S1和S4，并斷開開關(guān)S2和S3。接著，需要將抽頭2A設(shè)為邏輯1，2B設(shè)為邏輯0，于是，我們可以閉合S2、S3，并斷開S1和S4。與此類似，第三步我們可以閉合S2、S3并斷開S1和S4，第四步則可以閉合S1、S4并斷開S2、S3。

對(duì)繞組1的激勵(lì)方法也不外乎如此，使用一對(duì)H橋就能產(chǎn)生需要的激勵(lì)信號(hào)序列。表2所示就是激勵(lì)過程中每一步開關(guān)所在的位置。

注意，如果R=0，而開關(guān)S1和S3又不小心同時(shí)閉合，那么流經(jīng)開關(guān)的電流將達(dá)到無窮大。這時(shí)，不但開關(guān)會(huì)被燒壞，電源也可能損壞，因此電路中使用了一個(gè)非零阻值的電阻。盡管這個(gè)電阻會(huì)帶來一定的功耗，也會(huì)降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的效率，但它可以提供短路保護(hù)。

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斷開時(shí)，電流將由右至左流經(jīng)電機(jī)繞組；而當(dāng)S1斷開，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)開關(guān)所處的位置。

雖然單極電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器控制起來相對(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)沒有標(biāo)示抽頭也沒有數(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)，我們可以通過測(cè)量導(dǎo)線之間的阻抗來分辨哪兩個(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)，具體情況可以通過測(cè)量導(dǎo)線之間的阻抗來確定。

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說明了如何用晶體管作為開關(guān)來控制雙相單極電機(jī)。每個(gè)晶體管的基極都要通過一個(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有通過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。

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處于斷開狀態(tài)，因此電流無法流經(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位用來做數(shù)字輸出。電機(jī)采用在Jameco購(gòu)買的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)過快時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速無法跟上，導(dǎo)致電機(jī)的旋轉(zhuǎn)也無法跟上，開始跳動(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。如今常見的無刷直流電機(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。