文档介绍：单片机控制步进电机
第一章、概述

步进电机是一种感应电机(如左图1所示),它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱动器就是为步进电机分时供电
( 图1)
的,多相时序控制器。
虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。

步进电机实际上是一个数字\角度转换器,也是一个串行的数\模转换器。步进电机的基本控制包括启停控制、转向控制、速度控制、换向控制4 个方面。从结构上看,步进电机分为三相、四相、五相等类型,常用的则以三相为主。三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3 种。

步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感,即振动感。为了使电机转动平滑,减小振动,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波,可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑,则需采用合适的锁定波形,产生锁定磁力矩,锁定步进电机的转轴,使步进电机的转轴不能自由转动。

如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为二六拍,即 A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通电换相,即则电机就反转。其他方式情况类似。

如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。2 个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。

步进电机换向时,一定要在电机减速停止或降到突跳频率范围之内再换向,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1 个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求要有一定的脉冲宽度(一般不小于5μs)、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了减速→换向→加速3 个过程。

此次我们所设计的是一个步进电机控制系统,可以通过按键来控制系统的启/停工作,当系统运转时,用按键来控制方向,同样由按键来选择工作模式。最后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。详细的设计步骤将在下面说明。

步进电机的控制主要由脉冲分配和驱动电路两部分组成,步进电机脉冲控制的任务有三点:控制电机的转角、控制电机的转速、控制电机的转向。控制输送给电机的脉冲数就可以控制电机相应的转角数;控制输送给电机的脉冲频率就可以控制电机的转速;控制电机的转向,实际就是控制脉冲输送给电机绕组的顺序分配,这种分配称为环行分配。在数控系统中,脉冲分配器是将插补输出脉冲,按步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电路的各相输入端,用以控制绕组中电流的开通和关断。同时由于电动机有正反转要求,所以脉冲分配器的输出既是周期性的,又是可逆的,因此,也可称之为环形分配器。
脉冲分配可以用硬件电路实现,也可以用软件程序实现。

硬件环行分配器由集成电路的逻辑门、触发器等逻辑单元构成。三相六拍环形分配器由三个D触发器和若干个与非门所组成。CP端接进给脉冲控制信号,E端接电机方向控制信号(高电平或低电平信号)。环行分配器的输出端QA、QB和QC分别控制电机的A、B和C三相绕组。其原理图见图4。正向进给时环行分配器真值表见表2。
对图4进行分析可知:置E为“1”时,三相六拍的运行方式是A→AB→B→BC→C→CA…顺序轮流通电方式,称之为正转,则转子便顺时针方向一步一步转动;置E为“0”时,三相六拍的运行方式是CA→C→CB→B→BA→A…顺序轮流通电方式,称之为反转,则转子便逆时针方向一步一步转动。
表2 正、反向进给时环行分配器真值表
CP
DA
DB
DC
QA
QB
QC
通电相
0
1
1
0
1
0
0
A
1
0
1
0
1
1
0
AB
2
0
1
1
0
1
0
B
3
0
0
1
0
1
1
BC
4
1
0
1
0
0
1
C
5
1
0
0
1
0