詹莊春

(華南農(nóng)業(yè)大學珠江學院，廣東 廣州 510900)

步進電機模型及其仿真普遍地滲入到實踐教學中，不負眾望，經(jīng)過簡單開環(huán)設(shè)計，其硬件模型低速運行平穩(wěn)、定位精度高;相比之下，在高速運行時，其仿真不理想，出現(xiàn)了“丟步”和“顫動”的問題。于是改進硬件電路，修善程序設(shè)計，且當功能實現(xiàn)后，做出了應(yīng)有的理論分析。

1 步進電機的結(jié)構(gòu)原理

往下皆以四相八拍反應(yīng)式步進電機為例，采用單極性直流電源供電，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。定轉(zhuǎn)子鐵心均由軟磁材料或硅鋼片疊成凸極結(jié)構(gòu)，磁極上可開小齒，定子磁極上套有控制繞組，轉(zhuǎn)子上沒有繞組。

圖1 四相八拍步進電機結(jié)構(gòu)原理示意圖

步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)，即當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，便驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度即步矩角，其中錯齒是促使電機旋轉(zhuǎn)的原因［1］。通過控制脈沖個數(shù)可以控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機的轉(zhuǎn)速，從而達到調(diào)速的目的。

2 驅(qū)動控制設(shè)計思路

據(jù)步進電機的結(jié)構(gòu)原理可知，四相八拍觸發(fā)方式為A→AB→B→…→A，為實現(xiàn)其相序，可采取步進電機專用控制芯片L297。通過時鐘步進驅(qū)動，L297能產(chǎn)生4相信號、以8拍方式控制步進電機，其芯片內(nèi)的PWM斬波器電路可開關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進電機繞組中的電流，該集成電路使用5V的電源電壓，全部信號的連接都與TTL/CMOS或集電極開路的晶體管兼容。

為實現(xiàn)對步進電機的驅(qū)動，可采取步進電機專用驅(qū)動芯片L298，其內(nèi)部包含4個邏輯信道和1個雙全橋式H－Bridge的高電壓、大電流驅(qū)動器，接收TTL邏輯信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進電機，且可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓［2］。此芯片配合L297一起使用。

3 系統(tǒng)仿真電路的實現(xiàn)

該系統(tǒng)選用20BY－0型四相步進電機，主要包括單片機AT89C51最小系統(tǒng)、控制電路、驅(qū)動電路和顯示電路四大部分［3］，使用單片機仿真軟件Proteus，利用按鈕“開始”和“停止”模擬系統(tǒng)電源的開關(guān)，仿真電路見圖2。最小系統(tǒng)主要保證單片機正常工作;控制電路由開關(guān)和按鍵組成，可實現(xiàn)速度加減和轉(zhuǎn)向的控制;驅(qū)動電路對脈沖進行功率放大，從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動;顯示電路是為了顯示電機的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。

圖2 步進電機控制系統(tǒng)仿真電路圖

內(nèi)部程序檢測P3.4和P3.5的狀態(tài)來調(diào)用換向程序，由P2.0口控制L297的方向控制端(CW/CCW)。根據(jù)P3.2和P3.3的狀態(tài)來改變輸出脈沖頻率，由P2.1控制時鐘輸入端，使L297輸出四相八拍工作所需的適當相序。L297的四相輸出接L298的IN1～IN4，使其OUT1～OUT4輸出放大后的四相驅(qū)動信號，驅(qū)動步進電機運行。通過P1口的P1.0～P1.7控制LM016L顯示步進電機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向。

4 系統(tǒng)程序設(shè)計流程

程序要完成的主要工作有系統(tǒng)初始值的設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種開關(guān)狀態(tài)的檢測判斷等，系統(tǒng)主程序流程見圖3a。其中，由定時器中斷子程序控制電機的轉(zhuǎn)向;由外部中斷子程序改變速度值存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)(即時鐘周期)，從而改變電機的轉(zhuǎn)速，中斷子程序流程見圖3b。

圖3 步進電機控制系統(tǒng)程序流程圖

5 仿真結(jié)果與分析

經(jīng)仿真可知，步矩角為45°，電機可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速加減可調(diào)，不存在丟步現(xiàn)象;低速運行穩(wěn)定性極強，但高速運行穩(wěn)定性稍差，以下對此進行理論分析。

步進電機屬于一種定子單邊激勵，定、轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)的磁阻電動機，由于定子電流由變頻電源供電，電動機必須在開關(guān)模式下工作。忽略磁飽和，認為磁路是線性的，此時定子繞組電感L僅與轉(zhuǎn)子位置θ有關(guān)，而與電流無關(guān)，即L=L(θ)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動θ增加，當定子極弧逐步覆蓋轉(zhuǎn)子極弧，L值將直線上升，反之則直線下降，A相電感LA隨θ的變化曲線見圖4a。若僅有A相激勵(其他依次滯后45°)，設(shè)磁能為 W(iA，θ)，由電感 LA(θ) 的變化所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩TeA［4］為

由式(1)可見，假設(shè)定子電流為理想的矩形脈沖，則轉(zhuǎn)矩恒定，合成轉(zhuǎn)矩見圖4b。

圖4 LA(θ)和合成轉(zhuǎn)矩Te曲線圖

實際上由于繞組中存在電感，電流不可能突變。參考圖4，穩(wěn)態(tài)運行時的A相磁鏈初始值ψ0=0，忽略定子電阻，設(shè)電感上升斜率為k、下降斜率為 －k、轉(zhuǎn)速為Ω(單位:弧度 /秒)，則有

當A相關(guān)斷后繞組續(xù)流［5］，電流衰減，有

式(4)和式(7)為一周期電流iA表達式，實際電流波形還與L297的控制方式密切相關(guān)。當電機高速運行時，反電勢上升，電流幅值較低，其波形見圖5a。當電機低速運行時，電流幅值較高，斬波器通過控制上、下限Imax和Imin來得到電流平均值Iav，其波形見圖5b。

圖5 高速和低速運行時的電流波形

轉(zhuǎn)矩波形與電流波形類似。從圖5可以看出，高速運行時合成轉(zhuǎn)矩波形將會出現(xiàn)畸變;而低速運行時合成轉(zhuǎn)矩波形接近于矩形波，且幅值較大。

6 結(jié)論

步進電機結(jié)構(gòu)簡單、效率較高、價格較低，調(diào)速范圍較寬。通過對定子邊激勵信號進行功率放大，高速運行時不存在丟步現(xiàn)象，但存在一定的轉(zhuǎn)矩脈動，穩(wěn)定性稍差。進一步改進的方向是減小步矩角，可選用小步矩角步進電機。而增加轉(zhuǎn)子的齒數(shù)是減小步進電動機步距角的一個有效途徑，并且有利于提高控制精度［6］。

［1］韓利虎.淺談步進電機的基本原理［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2007，(11).

［2］馬麗.基于單片機步進電機的控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.黑龍江科技信息，2013，(24).

［3］房玉明，杭柏林.基于單片機的步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)［J］.電機與控制應(yīng)用，2006，(4).

［4］湯蘊璆，史乃.電機學(第2版)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［5］王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)(第5版)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［6］王歡.基于ANSYS的混合式步進電機靜態(tài)磁場及轉(zhuǎn)矩特性研究［D］.杭州:浙江大學，2012.