步进电机工作原理及控制电路.pdf

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，它的运行需要专门的驱动电源，驱动电源的输出受外部的脉冲信号B、2相励磁法:在每一瞬间会有二个线圈同时号通。因其转矩大,振动小,改为目前用最多的励磁方式,每送一厕磁信号可走1.8度。若以2相厕磁法控制步进电动机正转,其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送,则步进电动机反转励磁顺序:AB→BC→CD→DA→ABSIFPC1234100B1100D0011表4.22相劢磁法C、1-2相励磁法:为↑相与2相轮流交替导通。因分率提高,且运转平滑,每送一励磁信号可走0.9度,故亦广泛被采用。若以1相劢磁法控制步进电动机正转,其励磁顺疗如图所示。若励磁信弓反向传送,则步进电动机反转。励磁顺序:A→AB→B→EC→C→CD→D→DA→A表431-2相励磁法STEPBCD123456781100000011100000011100000001110先进电动机的负载转矩与速度成反比,速度愈快负载转矩愈小,当速度快至其极限时,步进电动机即不再运转。所以在每走一步后,程序必须延时一段时问.。下面介绍的是国产20BY-0型步进电机,它使用+5V直流电源,步臣角为18度。电机线圈由四相组成,即A、B、C、D四相,驱动方式为二柑激傚方式,电机示意图和各线圈通电顺斥如佟4.2和表4.1所示:10B20MOIOR SIEPPEBD图44步进电机原理叁表4.1线围通电顺序相顺序AD0100相顺序从0到1称为一步,电机轴将转过19度,0a1a2a3a4则称为通电一周,转轴将转过72度,若循环进行这种通电一周的操作,乜机便连续的转动起来,而进行相反的通电顺序如4a3a2a1将使电机同速反转。通电一周的周期越短,即驱动频率越高,则电杋转速越快,但步进电机的转速也不可能太快,因为它每走一步需要一定的时间,若信号频率过高,可能导致电机失步,甚至只在原步颤动步进电机的步距角与工作拍数对丁个步进电机,如果它的转了的齿数为Nr,它的齿距角6为:6z=2IIr,而步进电机运行拍可使转子转动一个齿距位置。实际上步进电机每拍就执行次步进,所以步进电机的步距角0s可以表示如下es=20/Nr k公式(4.1)或es=360°/Nrk公式(4.2)其中:k是步讲电机工作拍数,N是转子的齿数例如:对于三相反应式步进电机而言,工作方式有三拍和六拍之分三拍就是在转动一个齿距时换相三次;六拍则是换相六次。而在三拍方式巾还有单三拍和双三拍之分。从公式(2.2)可知:为了使步进电机工作的步距角θs减小,也即:使控制精度增高,步进电机在相数一定的情况下应增加T作拍数。步进电机的频率特性对于反应式步进电机,在其绕组中通电的相序不同时,步进电机的旋转方向和步进精度有所不同。步进电机对绕组的通电频卒有一定的要求。如果通电频率过高,超过步进电机的最大步进速度,就会产生失步。一般步进电机的通电频率以起动频凇为50步/秒到200步/秒。圹进电机的频率壮性曲线,是步进电机的工作频宏及其对应转动力矩所作出的曲线。步进电机的频率特性曲线和很多因素有关,这些因素包括步进电机的转子直径、转子铁心有效长、控制线路的电压、齿数、齿形、齿糟比、步进电机内部的磁路、绕组的绕线方式、定转子间的气隙、转动一个齿距所需的拍数等。在使用中会影响到步进电机频率特性而又能由用户定的因素有:控制拍数、控制线路的电压、线路时间常数等。下面分析这几种因素对步进电机频率特性的影响。(1).工作方式对频率特性的影响在步进电机应用中,它的工作方式是以一个齿距所用的拍数来表示的。拍数本质上也就是转动个齿距所需的电源电压换相次数,值得指出的是换相是指对步进电机各相绕组进行转换,而电源电压是单极性的固定的。一般而言反应式电机拍数越多矩频特性就越好。因此设计中应选择多拍的控制方式。(2).线路时间常数对频率特性的影响步进电机的每相绕组供电都是通过功率开关电路进行的。步进电机一相绕组的开关电路如图3.2所示。其中为步进电机绕组电感;RL为绕组电阳;Rc为品体管T的集电极电阻;0是续流二极管,它为绕组放电提供回路;晶体管是大功率开关管。R也是个外接的功率电阻,它是一个消耗性负载,一一般为数欧姆。这时线路的时间常数T为:T=L/(R2+R)公式(4.3)其中:L单位为亨,Rc,FL单位为欧姆,⑦单位为砂。图45步讨电机一线绕组的开关回路开关回路时间常数1对注入电机绕组的电流达到稳定值的时间有极人关系,它影到步进电机的工作频率。并且有:仍越小,电流达稳定时间小,相应电机工作频率高;反之,们越大,电流达稳定时间长,电机工作频率低。从式(4.3可知:要减少,可以采用增大Rc的办法。但是,增大R时,又会使稳态电流值减小,从而影响电机的力矩。为了减少,而不使稳杰电流诚小,可采用在增大R。的同时,也提高供电电压的办法。在高频应用中,要尽量减小以改普步进的特性,所以常在开关回路中采用较大的Rc,同时也提扃回路的电源电压U。但这样也会使效率降低,在低频段⊥作时也会使步进电机的振荡加剧。在实际中,可根据客观情况来考察选择恰当的外剖电阻Rc,使步进电机处丁合适的⊥作频率状态。(3)开关回路电压对频率的影响在般应用中,开关电路的脉宽和流人绕组的电流的最大值,必定会随开关电路换相频率的提高而相应减小。开关电路产牛的控制电压是以知形波方式加在绕组上的。随着换相频率的提高,矩形脉冲电斥波频率相应提高,这样,矩形脉冲电压的宽度和周期也就会变小,当矩形脉冲电压窄到一定程度,流入电机绕组的电流就元法达到稳定值丨,步进电机就难以步进工作了。为了保证在短形脉冲电压相当窄时,也即蜘率足够高时,步进电机仍能正常步进工作,可以提高开关回路的电压。扩关回路加到绕组的是矩形脉冲电压,故电流也是脉冲。在步进电机中要设6沄增大起动电流,以提高步进电机转动力矩,即提高其工作频率。由于步进电机是感性负载,所以进入绕组的电流脉冲是以指数形式上升,即这时电流脉冲为公式其中:i是甩流脉冲瞬时值;H是在开关回路电压为u时的电流意态值;7是开关同路的时间常数,7=L(R+R)步进电机的控制(1).步进电机的正反转控制在步走电机转动的过程中改变绕组的劢磁顺序可改变转动方向(2).步进电机控制系统框图般一个完整的步进电机控制系统包括控制器,驱动器,电机三部分.其框图如图所示控制器N驱动器步进电机4.6.步进电机控制系统框图(3).步走电机的现场应用驱动电路综合系统使用的是小型步进电机,对电压和电流要求不是很高,为了说明应用原珥,故采用最简单的驱动电路,目的在于验证步进电机的使用,在正式T业控制中还需在此基础上改进。一般的驱动电路可以用下图所示的形式14图4.7一般的驱动电路在实际应月中一般驱动路数不止一路,用上图的分立电路体积大,很多场合用现成的集成电路作为多路驱动。常用的小型步进电机驱动电路可以用ULN2003或UN2803。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、T作电压髙、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类低速小功率驱动的系统。ULN2003由8组达林顿品体管阵列和相应的电网终以及钳位二极管网络构成,具有同时驱动8组负载的能力,为单片双极型大功率高速集成电路。ULN2003内部结构及等效电路图如下图所示N婚EACH DRIVER5-19Senes ULN-2003Aeach driver)图4816 OUT 1N225 OUI 2IN 314OUT 3N13 OUT 4N5512 OUTN66IN 7110 ouT 7GND BCOMMON FREEWHEELING DIODE5=1977图49ULN203内部结构等效电路图程序设计步进电机控制系统程序主要完成步进电札的运动及其状的液昌显示的控制,通过调用键盘扫猫发现键盘输入命令后单片机通过程序发送相应指令使步进电机正转或反转并将步进电机相应的状态显示在液晶显示器上。开始初始化各项初始化液晶显不呈示执行键盘扦描Flag=3Flagel执行反转程停止转动序执行正转程序Flag=4Flag停止转动图5.1步过电机控混流程图