姜偉偉， 高云國， 韓光宇， 張文豹， 宋曙光

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033;2.中國科學(xué)院 研究生院，北京 100039)

0 引言

步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)，能將數(shù)字脈沖輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角度或直線增量運動。每輸入一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的固定角度稱之為步距角，所以從控制學(xué)的角度可以把步進(jìn)電機(jī)看成是沒有角度和角速度反饋的開環(huán)控制伺服電機(jī)。由于步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子慣量低、無漂移和無積累定位誤差的優(yōu)點，所以在打印機(jī)、繪圖機(jī)、數(shù)控機(jī)床等設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用［1-3］。

傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式為環(huán)形分配器+驅(qū)動器的方式，但是該驅(qū)動方式局限性在于只能驅(qū)動相數(shù)一定、額定電壓一定的步進(jìn)電機(jī)。目前市場上有很多現(xiàn)成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動產(chǎn)品，但是價格都偏高。

文中設(shè)計的應(yīng)用MOS管IRF530和單片機(jī)AT89S52組成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制器，既能設(shè)計成驅(qū)動兩相又能設(shè)計成驅(qū)動多相步進(jìn)電機(jī)，并且驅(qū)動電壓的范圍較大，適用于各種中小功率的步進(jìn)電機(jī)。由于采用的電子元器件都是比較常用的器件，所以整個驅(qū)動控制器的價格相對比較低［4-9］。

1 步進(jìn)電機(jī)的基本原理

步進(jìn)電機(jī)的分類方法很多，例如按運動方式分類有旋轉(zhuǎn)式和直線式等;從勵磁相數(shù)主要有兩相、三相、四相、五相、六相等;按照力矩產(chǎn)生的原理主要有變磁阻式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)等。目前，在談到步進(jìn)電機(jī)型號時，一般都要按照以上三種分類方式進(jìn)行說明。

目前，市場上的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最多，如一般的BYG通用系列的兩相步進(jìn)電機(jī)就是混合式步進(jìn)電機(jī)。

以兩相六線制的步進(jìn)電機(jī)為例來說明電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本的工作原理，電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和繞組纏繞方式簡圖如圖1所示:由圖1可看出此電機(jī)有兩相繞阻，并且在每相繞阻的中間都引出一個接線頭，即Vdd1、Vdd2，所以才導(dǎo)致兩相步進(jìn)電機(jī)有六根線。如果沒有這兩根引出線，設(shè)計步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器就要設(shè)計成比較復(fù)雜的H橋式電路才能實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，如引出接線頭Vdd1、Vdd2就無需設(shè)計成復(fù)雜的H橋式電路即可實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)中的繞組通電后，其定子磁極產(chǎn)生磁場，將轉(zhuǎn)子吸合到相應(yīng)的磁極處，當(dāng)改變繞組的通電方式時，定子上磁場發(fā)生變化則轉(zhuǎn)子在磁場力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩的作用下旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置。改變繞組的通電順序可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，改變繞組通電脈沖頻率可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通電脈沖頻率越高，轉(zhuǎn)速越高。步進(jìn)電機(jī)的一個重要技術(shù)參數(shù)是其步距角，步距角是指步進(jìn)電機(jī)每次換相時轉(zhuǎn)過的角度。計算公式如下:

式中:m——步進(jìn)電機(jī)的相數(shù);

z——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù);

k——步進(jìn)電機(jī)通電方式系數(shù)，單相或雙相勵磁k=1，單雙相輪流勵磁k=2。

圖1 兩相步進(jìn)電機(jī)原理圖

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出力矩與繞阻通電頻率特性之間的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 矩頻特性

當(dāng)脈沖頻率較低時，其輸出力矩是恒定的，不隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，但是當(dāng)脈沖頻率超過臨界頻率f時，隨著通電脈沖頻率的升高，其輸出力矩逐漸下降。

2 步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計

步進(jìn)電機(jī)的控制器主要包括兩大部分:主控制器和驅(qū)動電路。主控制器的主要作用是產(chǎn)生脈沖信號、通過串行口接收PC機(jī)的指令。驅(qū)動電路部分的主要作用是將主控制輸出的脈沖信號經(jīng)過功率器件放大至能夠驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。

控制器部分的脈沖信號產(chǎn)生方式有多種，比如采用單片機(jī)配置引角的置高、置低或者采用環(huán)形分配器。驅(qū)動芯片一般選用達(dá)林頓管、MOS管或者IGBT管。

2.1 硬件電路部分設(shè)計

該設(shè)計單片機(jī)AT89S52和MOS管IRF530組成采用控制電路，步進(jìn)電機(jī)的類型為兩相六線制，其各個部分的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖中Ucc為光藕器件TLP521的驅(qū)動電壓，Udd為MOS管IRF530的驅(qū)動電壓，電路中有兩個地，使用光藕隔離，互不相連。將兩相六線制改造成四相五線制步進(jìn)電機(jī)，方法為兩個繞阻的中間接線頭Vdd1、Vdd2均接驅(qū)動電壓，將 A、B、、作為獨立的相，所以共四相。

整個工作過程如下:由PC機(jī)通過串行口發(fā)送指令給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)PC的指令要求，對引腳P1.0～P1.3置高、低實現(xiàn)發(fā)送脈沖波，而不是采用環(huán)形分配器產(chǎn)生脈沖波，脈沖波經(jīng)過光電隔離器件TLP521實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電壓和單片機(jī)供電電壓之間隔離，然后通過大功率器件IRF530驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。

圖3 驅(qū)動器各部分組成

PC機(jī)與AT89S52之間采用RS－232電氣傳輸特性，使用的電氣特性轉(zhuǎn)換芯片為MAX232。在有些情況下，如PC與單片機(jī)距離比較遠(yuǎn)或者在電磁干擾比較大的場合可以采用RS－485/422電氣傳輸特性傳遞串口信息。

圖3中TLP521為日本東芝生產(chǎn)的光電隔離器件，其主要的電業(yè)特性參數(shù)如下:集電極承受電壓UCEO為55 V，隔離電壓BUS為2 500 V，光電轉(zhuǎn)換電平導(dǎo)通時間 tON為 3 μs，關(guān)斷時間 tOFF為25 μs。因為單片機(jī)AT89S52的工作電壓為5 V，該課題中采用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電壓Ucc為12 V，若不采取隔離措施，強(qiáng)電可能通過電氣連接耦合到弱電，會造成單片機(jī)的擊穿，采用光電隔離則可以確保單片機(jī)與驅(qū)動電路斷絕電氣聯(lián)系，單片機(jī)不會被擊穿。

驅(qū)動電路部分的主要器件為MOS管IRF530，其主要的電業(yè)特性參數(shù)如下:漏極承受電壓UDS為100 V，承受電流ID為14 A，柵極電壓驅(qū)動電壓UGS為±20 V，電平導(dǎo)通時間 tON為35 ns，電平關(guān)斷時間tOFF為25 ns。

總之，由于該驅(qū)動控制器摒棄了環(huán)形分配器，所以兩相或者多相的中小功率步進(jìn)電機(jī)均可使用該方法設(shè)計驅(qū)動器。

2.2 軟件部分設(shè)計

軟件設(shè)計主要分為兩個部分:即PC機(jī)上的串口軟件設(shè)計和主控制器上的軟件設(shè)計。

PC機(jī)上的串口軟件主要作用是發(fā)送步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)信號，可以采用VC++6.0編寫，也可以使用現(xiàn)成的串口軟件，本設(shè)計中采用比較流行的串口調(diào)試助手V2.2。步進(jìn)信號主要包括兩部分:步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和步數(shù)，只要設(shè)計者自行約定和AT89S52相統(tǒng)一即可，本設(shè)計中“+”、“－”分別代表正反轉(zhuǎn)，數(shù)字代表步數(shù)。

主控制器上軟件主要包括以下幾個部分:

(1)單片機(jī)串口接收來自PC串口的RS－232信號并識別。

(3)根據(jù)前進(jìn)的步數(shù)選擇比較合理的步進(jìn)速度，前進(jìn)的步數(shù)較多則步進(jìn)速度快，反之亦然。

(4)將接收的步進(jìn)信號轉(zhuǎn)換成引腳P1.0～P1.3的置高、置低，生成驅(qū)動信號。

3 試驗結(jié)果及分析

使用示波器測量單片機(jī)輸入到TLP521的波形與IRF530的輸出波形，如圖4所示，單片機(jī)輸出高電平時，IRF530輸出低電平。

圖4 波形圖

在示波器上將輸出波形的上升段和下降段放大如圖5所示。

圖5 矩形波的電平上升與下降波形

輸出波形中電平上升時間tr約為460 ns，電平下降時間tf約為160 ns。電壓上升段為曲線是由于步進(jìn)電機(jī)繞組的反電動勢作用，所以上升速度較慢。電壓下降段為直線是因為IRF530的S極直接與地相連，所以下降速度較快。

經(jīng)實際測試，本驅(qū)動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的最高驅(qū)動頻率在約30 000 Hz的驅(qū)動能力，相對于步進(jìn)電機(jī)最高只有幾千Hz的響應(yīng)能力完全足夠了。

在測量軸承的試驗中應(yīng)用了該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)，使用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一定的角度，來測量軸承某位置的側(cè)擺，該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)很好地完成了軸承旋轉(zhuǎn)定位。

4 結(jié)語

由MOS管IRF530和單片機(jī)AT89S52組成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制器，操作方便。所使用的電子元器件簡單常用、價格便宜，并且開發(fā)簡單。該驅(qū)動控制器可以廣泛應(yīng)用于兩相或者多相中小功率的步進(jìn)電機(jī)中，尤其是在與PC機(jī)聯(lián)合使用的場合更為適合。

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