詹莊春

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院，廣東 廣州 510900)

步進(jìn)電機(jī)模型及其仿真普遍地滲入到實(shí)踐教學(xué)中，不負(fù)眾望，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)，其硬件模型低速運(yùn)行平穩(wěn)、定位精度高;相比之下，在高速運(yùn)行時(shí)，其仿真不理想，出現(xiàn)了“丟步”和“顫動(dòng)”的問(wèn)題。于是改進(jìn)硬件電路，修善程序設(shè)計(jì)，且當(dāng)功能實(shí)現(xiàn)后，做出了應(yīng)有的理論分析。

1 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

往下皆以四相八拍反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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(kāi)小齒，定子磁極上套有控制繞組，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組。

圖1 四相八拍步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意圖

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，便驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度即步矩角，其中錯(cuò)齒是促使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因［1］。通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

2 驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)思路

據(jù)步進(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)其相序，可采取步進(jìn)電機(jī)專用控制芯片L297。通過(guò)時(shí)鐘步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，L297能產(chǎn)生4相信號(hào)、以8拍方式控制步進(jìn)電機(jī)，其芯片內(nèi)的PWM斬波器電路可開(kāi)關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電流，該集成電路使用5V的電源電壓，全部信號(hào)的連接都與TTL/CMOS或集電極開(kāi)路的晶體管兼容。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，可采取步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298，其內(nèi)部包含4個(gè)邏輯信道和1個(gè)雙全橋式H－Bridge的高電壓、大電流驅(qū)動(dòng)器，接收TTL邏輯信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接通過(guò)電源來(lái)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(shí)現(xiàn)

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

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)仿真電路圖

內(nèi)部程序檢測(cè)P3.4和P3.5的狀態(tài)來(lái)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(lái)改變輸出脈沖頻率，由P2.1控制時(shí)鐘輸入端，使L297輸出四相八拍工作所需的適當(dāng)相序。L297的四相輸出接L298的IN1～I(xiàn)N4，使其OUT1～OUT4輸出放大后的四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。通過(guò)P1口的P1.0～P1.7控制LM016L顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向。

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)狀態(tài)的檢測(cè)判斷等，系統(tǒng)主程序流程見(jiàn)圖3a。其中，由定時(shí)器中斷子程序控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向;由外部中斷子程序改變速度值存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)(即時(shí)鐘周期)，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，中斷子程序流程見(jiàn)圖3b。

圖3 步進(jìn)電機(jī)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(jī)可實(shí)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(yùn)行穩(wěn)定性極強(qiáng)，但高速運(yùn)行穩(wěn)定性稍差，以下對(duì)此進(jìn)行理論分析。

步進(jìn)電機(jī)屬于一種定子單邊激勵(lì)，定、轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)的磁阻電動(dòng)機(jī)，由于定子電流由變頻電源供電，電動(dòng)機(jī)必須在開(kāi)關(guān)模式下工作。忽略磁飽和，認(rèn)為磁路是線性的，此時(shí)定子繞組電感L僅與轉(zhuǎn)子位置θ有關(guān)，而與電流無(wú)關(guān)，即L=L(θ)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)θ增加，當(dāng)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(jiàn)圖4a。若僅有A相激勵(lì)(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(jiàn)，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(jiàn)圖4b。

圖4 LA(θ)和合成轉(zhuǎn)矩Te曲線圖

實(shí)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(yùn)行時(shí)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(dāng)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(dá)式，實(shí)際電流波形還與L297的控制方式密切相關(guān)。當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，反電勢(shì)上升，電流幅值較低，其波形見(jiàn)圖5a。當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，電流幅值較高，斬波器通過(guò)控制上、下限Imax和Imin來(lái)得到電流平均值Iav，其波形見(jiàn)圖5b。

圖5 高速和低速運(yùn)行時(shí)的電流波形

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

6 結(jié)論

步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率較高、價(jià)格較低，調(diào)速范圍較寬。通過(guò)對(duì)定子邊激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，高速運(yùn)行時(shí)不存在丟步現(xiàn)象，但存在一定的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，穩(wěn)定性稍差。進(jìn)一步改進(jìn)的方向是減小步矩角，可選用小步矩角步進(jìn)電機(jī)。而增加轉(zhuǎn)子的齒數(shù)是減小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角的一個(gè)有效途徑，并且有利于提高控制精度［6］。

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

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

［3］房玉明，杭柏林.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，(4).

［4］湯蘊(yùn)璆，史乃.電機(jī)學(xué)(第2版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

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

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