王 娟

（貴陽學(xué)院，貴州貴陽 550005）

1 步進(jìn)電機(jī)概述

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制組件，被廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)中[1]。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)可減小步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角，提高電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性，減小或消除步進(jìn)電動機(jī)的低頻振蕩，降低噪聲，顯著改善其動態(tài)性能，增加控制的靈活性等，從而滿足某些高精密定位、精密加工等方面的要求[2-4]。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)具有控制方法單一、難于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、電路復(fù)雜、控制精度低、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)[5]。

步進(jìn)電機(jī)最大的特點(diǎn)就是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制，輸入脈沖數(shù)決定了電機(jī)總轉(zhuǎn)動角度，而脈沖信號頻率決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此適合于單片機(jī)控制，單片機(jī)通過向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)送控制信號就能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制[6]。

1.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理

非超載的情況下，給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角，而不受負(fù)載變化的影響。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得將步進(jìn)電機(jī)用在速度、位置等控制領(lǐng)域非常簡單。單相步進(jìn)電機(jī)是由單路電脈沖來驅(qū)動，輸出功率很小，多用于微小功率驅(qū)動。多相步進(jìn)電機(jī)由多相方波脈沖驅(qū)動，在很多領(lǐng)域都能用到。使用多相步進(jìn)電機(jī)時，脈沖分配器會將單路電脈沖信號轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號，再經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電機(jī)各項繞組。脈沖分配器每接到一個脈沖，就會變化電機(jī)各相的通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度，這個角度稱為步距角。倘若連續(xù)輸入一定頻率的脈沖，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率具有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，負(fù)載的變化和電壓波動不會對其產(chǎn)生任何影響。然而步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度又是由輸入的脈沖數(shù)所決定的，并且成正比關(guān)系。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。

圖1 PM型步進(jìn)電機(jī)的原理圖（2相單極）

1.2 步進(jìn)電機(jī)的種類

步進(jìn)電機(jī)按轉(zhuǎn)子的材料可以分為三大類。

（1）PM型（永久磁鐵型）

PM型步進(jìn)電機(jī)的原理構(gòu)造如圖1所示，轉(zhuǎn)子是永久磁鐵所構(gòu)成，更進(jìn)一步地往這個周圍配置了復(fù)數(shù)個的固定子。

圖2 VR型步進(jìn)電機(jī)的原理圖（2相單極）

PM 型的特征是因?yàn)檗D(zhuǎn)子是永久磁鐵構(gòu)成的，所以就算在無激磁（固定子的任何線圈不通電）時也在一定程度上保持了轉(zhuǎn)矩的發(fā)生。因而，利用這種性質(zhì)的效果，可以構(gòu)成省能積形的系統(tǒng)。

這種步進(jìn)電機(jī)，它的步進(jìn)角種類很多，釤鈷系磁鐵的轉(zhuǎn)子是用在45°或者90°上，而且這些也可以用氟萊鐵（ferrite）磁鐵作為多極的充磁，有3.75°、11.25°、15°、18°、22.5°等豐富的種類，其中以7.5°（轉(zhuǎn)48步進(jìn)）最為普及。

（2）VR型（可變磁阻型）

VR型步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造如圖2所示。主要用在轉(zhuǎn)矩比較大的工作機(jī)械，或者特殊使用的小型起動機(jī)的上卷機(jī)械上。其它也有用在出力為1W 以下的超小型電機(jī)上，總之，VR型的數(shù)量是非常少的。步進(jìn)角的種類有15°、7.5°、1.8°等，其中以1.5°步進(jìn)最為普及。

圖3 混合型步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造圖（2相單極）

（3）HB混合型（復(fù)合型）

混合型步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造如圖3 所示?；旌闲鸵蚓哂懈呔?、高轉(zhuǎn)矩、微小步進(jìn)角和其他優(yōu)異的特征，所以被大量的使用，特別是使用在盤片記憶關(guān)系的磁頭轉(zhuǎn)送上。在步進(jìn)角上有0.9°、1.8°、3.6°，比起其它的電機(jī)而言，具有極小的步進(jìn)角。

圖4 步進(jìn)電機(jī)控制流程圖

1.3 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)

（1）旋轉(zhuǎn)的角度和輸入的脈沖成正比，因此用開回路控制即可達(dá)成高精確角度及高精度定位的要求。

（2）啟動、停止、正反轉(zhuǎn)的應(yīng)答性良好，控制容易。

（3）每一步級的角度誤差小，而且沒有累積誤差。

（4）在可控制的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速和脈沖的頻率成正比，所以變速范圍非常廣。

圖5 時序圖

（5）靜止時，步進(jìn)電機(jī)有很高的保持轉(zhuǎn)矩（holding torque），可保持在停止的位置，不需使用煞車器也不會自由轉(zhuǎn)動。

（6）在超低速有很高的轉(zhuǎn)矩。

（7）可靠性高，不需保養(yǎng)，整個系統(tǒng)的價格低廉。

（8）高速運(yùn)轉(zhuǎn)時容易失步。

（9）在某一頻率容易產(chǎn)生振動或共振現(xiàn)象。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 步進(jìn)電機(jī)的控制

如圖4 所示，通常情況下對于步進(jìn)電機(jī)的控制，由單片機(jī)和PLC進(jìn)行控制產(chǎn)生脈沖信號。

這里重點(diǎn)討論對步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動，以受控電機(jī)為四相六線制的步進(jìn)電機(jī)（內(nèi)阻33 Ω，步進(jìn)1.8°，額定電壓12V）為例。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

選用電機(jī)驅(qū)動器（可選L298N）來構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路。若選用L298N 電機(jī)驅(qū)動器搭配單片機(jī)SPCE061A，則可通SPCE061A 的IOB8～I(xiàn)OB13 引腳對L298N 的IN1～I(xiàn)N4 和ENA、ENB口來發(fā)送方波脈沖信號，時序圖如圖5所示。

2.3 鍵盤電路

控制系統(tǒng)中可以選用標(biāo)準(zhǔn)的4× 4 鍵盤，其電路圖如圖6 所示。SPCE061A 的A 口低8 位為鍵盤的接口。雖然實(shí)際只需要4個鍵對步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但為給控制功能留有可擴(kuò)展的空間，選用4×4鍵盤較佳。

2.4 數(shù)碼管顯示電路

數(shù)碼管的顯示驅(qū)動可選用串行移位寄存器74LS164，通過SPCE061A的IOB0和IOB1口對DATA和CLK 發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖7所示。

2.5 軟件設(shè)計

在進(jìn)行程序設(shè)計的過程中，主要分為五個部分：雙機(jī)通訊、數(shù)字顯示、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動及鍵盤的設(shè)計。流程圖如圖8所示。

圖6 鍵盤電路

3 小結(jié)

圖7 數(shù)碼管顯示電路

圖8 雙擊通訊流程圖

該設(shè)計非常靈活，對于不同步進(jìn)電機(jī)，可以適當(dāng)修改其電路及程序即可通用。該方法性能良好，具有實(shí)用推廣價值，方便、高效、成本較低。結(jié)果表明，該步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的走步和兩軸協(xié)調(diào)運(yùn)行還能通過數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，實(shí)用價值很高。

［1］榮盤祥，何志軍.步進(jìn)電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電機(jī)與控制學(xué)報，2009，13（2）：272-275.

［2］袁帥，甘靖.基于FPGA 的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)研究［J］.湖南理工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，23（1）：62-64.

［3］胡惟文，蔡劍華，王先春.基于FPGA 的步進(jìn)電機(jī)均勻細(xì)分驅(qū)動器的實(shí)現(xiàn)［J］.微計算機(jī)信息，2008，24（5）：183-184.

［4］張勁.利用AT89S52 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)［J］.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008，56（2）：73-75.

［5］何帥，高曉蓉，王黎，等.基于ATm ega128的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)［J］.微計算機(jī)信息，2010，26（14）：90-92.

［6］盧慧芬，陳慧，張國鵬，等.基于TMS320F2812 的光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置［J］.機(jī)電工程，2012（11）：1318-1322.

［7］史敬灼.步進(jìn)電動機(jī)伺服控制技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.