基于MCU和DSP的步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)詳解

步進(jìn)電機(jī)也叫步進(jìn)器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，人們?cè)缭?0世紀(jì)20年代就開始使用這種電機(jī)。隨著嵌入式系統(tǒng)(例如打印機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、玩具、雨刷、震動(dòng)尋呼機(jī)、機(jī)械手臂和錄像機(jī)等)的日益流行，步進(jìn)電機(jī)的使用也開始暴增。不論在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、汽車還是娛樂業(yè)中，只要需要把某件物體從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，步進(jìn)電機(jī)就一定能派上用場(chǎng)。步進(jìn)電機(jī)有許多種形狀和尺寸，但不論形狀和尺寸如何，它們都可以歸為兩類：可變磁阻步進(jìn)電機(jī)和永磁步進(jìn)電機(jī)。本文重點(diǎn)討論更為簡(jiǎn)單也更常用的永磁步進(jìn)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造

如圖1所示，步進(jìn)電機(jī)是由一組纏繞在電機(jī)固定部件--定子齒槽上的線圈驅(qū)動(dòng)的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機(jī)中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。如果線圈中電流的流向如圖1所示，并且我們從電機(jī)頂部向下看齒槽的頂部，那么電流在繞兩個(gè)齒槽按逆時(shí)針流向流動(dòng)。根據(jù)安培定律和右手準(zhǔn)則，這樣的電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)北極向上的磁場(chǎng)。

現(xiàn)在假設(shè)我們構(gòu)造一個(gè)定子上纏繞有兩個(gè)繞組的電機(jī)，內(nèi)置一個(gè)能夠繞中心任意轉(zhuǎn)動(dòng)的永久磁鐵，這個(gè)可旋轉(zhuǎn)部分叫做轉(zhuǎn)子。圖2給出了一種簡(jiǎn)單的電機(jī)，叫做雙相雙極電機(jī)，因?yàn)槠涠ㄗ由嫌袃蓚€(gè)繞組，而且其轉(zhuǎn)子有兩個(gè)磁極。如果我們按圖2a所示方向給繞組1輸送電流，而繞組2中沒有電流流過，那么電機(jī)轉(zhuǎn)子的南極就會(huì)自然地按圖中所示，指向定子磁場(chǎng)的北極。

再假設(shè)我們切斷繞組1中的電流，而按圖2b所示方向給繞組2輸送電流，那么定子的磁場(chǎng)就會(huì)指向左側(cè)，而轉(zhuǎn)子也會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)，與定子磁場(chǎng)方向保持一致。

接著，我們?cè)賹⒗@組2的電流切斷，按照?qǐng)D2c的方向給繞組1輸送電流，注意：這時(shí)繞組1中的電流流向與圖2a所示方向相反。于是定子的磁場(chǎng)北極就會(huì)指向下，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其南極也指向下方。

然后我們又切斷繞組1中的電流，按照?qǐng)D2d所示方向給繞組2輸送電流，于是定子磁場(chǎng)又會(huì)指向右側(cè)，從而使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其南極也指向右側(cè)。

最后，我們?cè)僖淮吻袛嗬@組2中的電流，并給繞組1輸送如圖2a所示的電流，這樣，轉(zhuǎn)子又會(huì)回到原來的位置。

至此，我們對(duì)電機(jī)繞組完成了一個(gè)周期的電激勵(lì)，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一整圈。也就是說，電機(jī)的電頻率等于它轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械頻率。

如果我們用1秒鐘順序完成了圖2所示的這4個(gè)步驟，那么電機(jī)的電頻率就是1Hz。其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一周，因而其機(jī)械頻率也是1Hz?？傊?，一個(gè)雙相步進(jìn)電機(jī)的電頻率和機(jī)械頻率之間的關(guān)系可以用下式表示：

fe=fm*P/2 (1)

其中，fe代表電機(jī)的電頻率，fm代表其機(jī)械頻率，而P則代表電機(jī)轉(zhuǎn)子的等距磁極數(shù)。

從圖2中我們還可以看出，每一步操作都會(huì)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90°，也就是說，一個(gè)雙相步進(jìn)電機(jī)每一步操作造成的旋轉(zhuǎn)度數(shù)可由下式表示：

1 step= 180°/P (2)

由等式(2)可知，一個(gè)雙極電機(jī)每動(dòng)作一次可以旋轉(zhuǎn)180°/2=90°，這與我們?cè)趫D2中看到的情形正好相符。此外，該等式還表明，電機(jī)的磁極數(shù)越多，步進(jìn)精度就越高。常見的是磁極數(shù)在12和200個(gè)之間的雙相步進(jìn)電機(jī)，這些電機(jī)的步進(jìn)精度在15°和 0.9°之間。

圖3給出的例子是一個(gè)雙相、6極步進(jìn)電機(jī)，其中包含3個(gè)永久磁鐵，因而有6個(gè)磁極。第一步，如圖3a所示，我們給繞組1施加電壓，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向其頂部的磁場(chǎng)，于是，轉(zhuǎn)子的南極(圖3a中紅色的“S”一端)轉(zhuǎn)向了該圖的上方。接著，在圖3b中，我們給繞組2施加電壓，定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向其左側(cè)的磁場(chǎng)。于是，轉(zhuǎn)子的一個(gè)距離最近的南極轉(zhuǎn)向了圖的左方，即轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)了30°。第三步，在圖3c中，我們又向繞組1施加一個(gè)電壓，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向圖下方的磁場(chǎng)，從而又使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°到達(dá)圖3c所示的位置。而在圖3d中，我們給繞組2施加電壓，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向定子右側(cè)的磁場(chǎng)，再一次使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°，到達(dá)圖3d所示的位置。最后，我們?cè)傧蚶@組1施加電壓，產(chǎn)生一個(gè)如圖3a所示的北極指向定子上方的磁場(chǎng)，使得轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°，結(jié)束一個(gè)電周期。如此可以看出，4步電激勵(lì)造成了120°的機(jī)械旋轉(zhuǎn)。也就是說，該電機(jī)的電頻率是機(jī)械頻率的3倍，這一結(jié)果符合等式(1)。此外，我們從圖3和等式(2)也能看出，該電機(jī)的轉(zhuǎn)子每一步旋轉(zhuǎn)30°。

如果同時(shí)向兩個(gè)繞組輸送電流，還能增大電機(jī)的扭矩，如圖4所示。這時(shí)，電機(jī)定子的磁場(chǎng)是兩個(gè)繞組各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)的矢量和，雖然這一磁場(chǎng)每一次動(dòng)作仍然只使電機(jī)旋轉(zhuǎn)90°，就象圖2和圖3中一樣，但因?yàn)槲覀兺瑫r(shí)激勵(lì)兩個(gè)電機(jī)繞組，所以此時(shí)的磁場(chǎng)比單獨(dú)激勵(lì)一個(gè)繞組時(shí)更強(qiáng)。由于該磁場(chǎng)是兩個(gè)垂直場(chǎng)的矢量和，因此它等于單獨(dú)每個(gè)場(chǎng)的2×1.414倍，從而電機(jī)對(duì)其負(fù)載施加的扭矩也成正比增大。

電機(jī)的激勵(lì)順序

既然我們知道了一系列激勵(lì)會(huì)使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，接下來就要設(shè)計(jì)硬件來實(shí)現(xiàn)所需的步進(jìn)序列。一塊能讓電機(jī)動(dòng)起來的硬件(或結(jié)合了硬件和軟件的一套設(shè)備)就叫做電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

從圖4中可以看出我們?cè)鯓蛹?lì)雙相電機(jī)的繞組才能使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，圖中，電機(jī)內(nèi)的繞組抽頭分別被標(biāo)為1A、1B、2A和2B。其中，1A和1B是繞組1的兩個(gè)抽頭，2A和2B則是繞組2的兩個(gè)抽頭。