门户网站开发语言,响应式网站 图片尺寸奇数,外贸seo网站制作,wordpress 响应来源 | 控制与传动步进电机已经渗透入我们生活的方方面面#xff0c;本文介绍了一些重要的步进电机相关技术#xff0c;为开发人员基本了解步进电机的工作原理提供了足够的信息#xff0c;同时也介绍了用微控制器或数字信号处理器控制步进电机的方法。步进电机也叫步进器本文介绍了一些重要的步进电机相关技术为开发人员基本了解步进电机的工作原理提供了足够的信息同时也介绍了用微控制器或数字信号处理器控制步进电机的方法。步进电机也叫步进器它利用电磁学原理将电能转换为机械能人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等)的日益流行步进电机的使用也开始暴增。不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置步进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形状和尺寸但不论形状和尺寸如何它们都可以归为两类可变磁阻步进电机和永磁步进电机。本文重点讨论更为简单也更常用的永磁步进电机。1、步进电机的构造如图1所示步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管而在电机中绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。如果线圈中电流的流向如图1所示并且我们从电机顶部向下看齿槽的顶部那么电流在绕两个齿槽按逆时针流向流动。根据安培定律和右手准则这样的电流会产生一个北极向上的磁场。现在假设我们构造一个定子上缠绕有两个绕组的电机内置一个能够绕中心任意转动的永久磁铁这个可旋转部分叫做转子。图2给出了一种简单的电机叫做双相双极电机因为其定子上有两个绕组而且其转子有两个磁极。如果我们按图2a所示方向给绕组1输送电流而绕组2中没有电流流过那么电机转子的南极就会自然地按图中所示指向定子磁场的北极。再假设我们切断绕组1中的电流而按图2b所示方向给绕组2输送电流那么定子的磁场就会指向左侧而转子也会随之旋转与定子磁场方向保持一致。接着我们再将绕组2的电流切断按照图2c的方向给绕组1输送电流注意这时绕组1中的电流流向与图2a所示方向相反。于是定子的磁场北极就会指向下从而导致转子旋转其南极也指向下方。然后我们又切断绕组1中的电流按照图2d所示方向给绕组2输送电流于是定子磁场又会指向右侧从而使得转子旋转其南极也指向右侧。 最后我们再一次切断绕组2中的电流并给绕组1输送如图2a所示的电流这样转子又会回到原来的位置。至此我们对电机绕组完成了一个周期的电激励电机转子旋转了一整圈。也就是说电机的电频率等于它转动的机械频率。如果我们用1秒钟顺序完成了图2所示的这4个步骤那么电机的电频率就是1Hz。其转子旋转了一周因而其机械频率也是1Hz。总之一个双相步进电机的电频率和机械频率之间的关系可以用下式表示fefm*P/2 (1)其中fe代表电机的电频率fm代表其机械频率而P则代表电机转子的等距磁极数。从图2中我们还可以看出每一步操作都会使转子旋转90°也就是说一个双相步进电机每一步操作造成的旋转度数可由下式表示1 step 180°/P (2)由等式(2)可知一个双极电机每动作一次可以旋转180°/290°这与我们在图2中看到的情形正好相符。此外该等式还表明电机的磁极数越多步进精度就越高。常见的是磁极数在12和200个之间的双相步进电机这些电机的步进精度在15°和 0.9°之间。图3给出的例子是一个双相、6极步进电机其中包含3个永久磁铁因而有6个磁极。第一步如图3a所示我们给绕组1施加电压在定子中产生一个北极指向其顶部的磁场于是转子的南极(图3a中红色的“S”一端)转向了该图的上方。接着在图3b中我们给绕组2施加电压定子中产生一个北极指向其左侧的磁场。于是转子的一个距离最近的南极转向了图的左方即转子顺时针转动了30°。第三步在图3c中我们又向绕组1施加一个电压在定子中产生一个北极指向图下方的磁场从而又使转子顺时针旋转30°到达图3c所示的位置。而在图3d中我们给绕组2施加电压在定子中产生一个北极指向定子右侧的磁场再一次使转子顺时针旋转30°到达图3d所示的位置。最后我们再向绕组1施加电压产生一个如图3a所示的北极指向定子上方的磁场使得转子顺时针旋转30°结束一个电周期。如此可以看出4步电激励造成了120°的机械旋转。也就是说该电机的电频率是机械频率的3倍这一结果符合等式(1)。此外我们从图3和等式(2)也能看出该电机的转子每一步旋转30°。 如果同时向两个绕组输送电流还能增大电机的扭矩如图4所示。这时电机定子的磁场是两个绕组各自产生的磁场的矢量和虽然这一磁场每一次动作仍然只使电机旋转90°就象图2和图3中一样但因为我们同时激励两个电机绕组所以此时的磁场比单独激励一个绕组时更强。由于该磁场是两个垂直场的矢量和因此它等于单独每个场的2×1.414倍从而电机对其负载施加的扭矩也成正比增大。2、电机的激励顺序既然我们知道了一系列激励会使步进电机旋转接下来就要设计硬件来实现所需的步进序列。一块能让电机动起来的硬件(或结合了硬件和软件的一套设备)就叫做电机驱动器。从图4中可以看出我们怎样激励双相电机的绕组才能使电机转子旋转图中电机内的绕组抽头分别被标为1A、1B、2A和2B。其中1A和1B是绕组1的两个抽头2A和2B则是绕组2的两个抽头。首先要给脚1B和2B施加一个正电压并将1A和2A接地。然后给脚1B和2A施加一个正电压而将1A和2B接地这一过程其实取决于导线绕齿槽缠绕的方向假设导线缠绕的方向与上一节所述相符。依次进行下去我们就得到了表1中总结的激励顺序其中“1”表示正电压“0”表示接地。电流在电机绕组中有两种可能的流向这样的电机就叫做双极电机和双极驱动序列。双极电机通常由一种叫做H桥的电路驱动图5给出了连接H桥和步进电机两根抽头的电路。H桥通过一个电阻连接到一个电压固定的直流电源(其幅度可根据电机的要求选取)然后该电路再经过4个开关(分别标为S1、S2、S3和S4)连接到绕组的两根抽头。这一电路的分布看起来有点象一个大写字母H因此叫做H桥。从表1中可以看出要激励该电机第一步应将抽头2A设为逻辑02B设为逻辑1于是我们可以闭合开关S1和S4并断开开关S2和S3。接着需要将抽头2A设为逻辑12B设为逻辑0于是我们可以闭合S2、S3并断开S1和S4。与此类似第三步我们可以闭合S2、S3并断开S1和S4第四步则可以闭合S1、S4并断开S2、S3。对绕组1的激励方法也不外乎如此使用一对H桥就能产生需要的激励信号序列。表2所示就是激励过程中每一步开关所在的位置。注意如果R0而开关S1和S3又不小心同时闭合那么流经开关的电流将达到无穷大。这时不但开关会被烧坏电源也可能损坏因此电路中使用了一个非零阻值的电阻。尽管这个电阻会带来一定的功耗也会降低电机驱动器的效率但它可以提供短路保护。3、单极电机及其驱动器前面我们已经讨论了双极步进电机和驱动器。单极电机与双极电机类似不同的是在单极电机中外部能够接触到的只有每个绕组的中心抽头如图6所示。我们将从绕组顶部抽出的抽头标为抽头B底部抽出的标为抽头A中间的为抽头C。有时我们会遇到一些抽头没有标注的电机如果我们清楚步进电机的构造就很容易通过测量抽头之间的阻值识别出哪些抽头属于哪根绕组。不同绕组的抽头之间阻抗通常为无穷大。如果经测量抽头A和C之间的阻抗为100欧姆那么抽头B和C之间的阻抗也应是100欧姆而A和B之间的阻抗为200欧姆。200欧姆这一阻抗值就叫做绕组阻抗。 图7给出一个单极电机的单相驱动电路。从中可以看出当S1闭合而S2断开时电流将由右至左流经电机绕组而当S1断开S2闭合时电流流向变为由左至右。因此我们仅用两个开关就能改变电流的流向(而在双极电机中需要4个开关才能做到)。表3所示为单极电机驱动电路中每一步激励时开关所处的位置。虽然单极电机的驱动器控制起来相对简单但由于在电机中使用了中心抽头因此它比双极电机更复杂而且其价格通常比双极电机贵。此外由于电流只流经一半的电机绕组所以单极电机只能产生一半的磁场。在知道了单极电机和双极电机的构造原理之后当我们遇到一个没有标示抽头也没有数据手册的电机时我们就能自己推导出抽头和绕组的关系。带4个抽头的电机就是一个双相双极电机我们可以通过测量导线之间的阻抗来分辨哪两个抽头属于同一个绕组。带6个抽头的电机可能是一个双相单极电机也可能是一个三相双极电机具体情况可以通过测量导线之间的阻抗来确定。4、电机控制本文前面讨论的电机控制理论可以采用全硬件方案实现也可以用微控制器或DSP实现。图8说明了如何用晶体管作为开关来控制双相单极电机。每个晶体管的基极都要通过一个电阻连接到微控制器的一个数字输出上阻值可以从1到10M欧姆用于限制流入晶体管基极的电流。每个晶体管的发射极均接地集电极连到电机绕组的4个抽头。电机的中心抽头均连接到电源电压的正端。每个晶体管的集电极均通过一个二极管连接到电压源以保护晶体管不被旋转时电机绕组上的感应电流烧坏。转子旋转时电机绕组上会出现一个感应电压如果晶体管集电极没有通过二极管连接到电压源感应电压造成的电流就会涌入晶体管的集电极。举个例子假设数字输出do1为高而do2为低于是do1会使晶体管T1导通电流从V流经中心抽头和T1的基极然后由T1的发射极输出。但此时do2处于断开状态因此电流无法流经T2。这样推理下去我们就能将表3改为驱动电机所需的微控制器数字输出的改变顺序。一旦清楚了驱动电机所需的硬件和数字输出的顺序我们就可以对最顺手的微控制器或DSP编写软件实现这些序列。5、固件控制我本人在一块Microchip PIC16F877上利用1N4003二极管和2SD1276A达灵顿晶体管实现了以上谈到的电机控制器。PIC的PortA第0位到第3位用来做数字输出。电机采用在Jameco购买的5V双相单极电机(Airpax [Thomson]生产型号为M82101-P1)并且用同一个5V电源为PIC和电机供电。但在真正应用时为避免给微控制器的电源信号引入噪声建议大家还是分别用不同的电源为电机和微控制器供电。列表1给出了控制程序的汇编源代码该程序每50毫秒旋转电机一次。首先程序会将微控制器的数字输出初始化为表4中第一步的值然后每隔50毫秒(此时间常数由程序中的常量waitTime定义)按照正确的顺序循环输出数字信号。若需使电机反向旋转只需按与表4所示相反的顺序输出数字信号即可。本人所用的电机为24极电机即每一步输出可以控制电机旋转180°/247.5°。电机每50毫秒旋转7.5°也就是每2.4秒转一周。如果将常量waitTime减小一半电机转速会加快一倍。但因为转子受惯性、摩擦力和其他机械限制所以电机转速有一个上限当定子磁场旋转过快时转子的转速无法跟上导致电机的旋转也无法跟上开始跳动(skipping)。如果这时再降低欧姆aitTime电机很可能干脆就停止旋转。除了本文重点讨论的双相电机以外步进电机还有其他类型如三相步进电机或四相步进电机。另外还有一些双相步进电机它们只有一个中心抽头同时连接到两个绕组的中心点这类步进电机外部有5个抽头引出。同样步进电机也不是电机家族中的唯一成员最古老也最简单的电机是直流(DC)电机。早期的直流电机使用电刷现在已经不再流行。如今常见的无刷直流电机就是利用电子线路代替电刷进行换向的直流电机这类电机中不存在电刷老化问题因此其寿命比有刷直流电机长很多。还有一种感应电机其工作原理与步进电机或直流电机完全不同。直流电机采用的是直流电压源而感应电机则采用交流(AC)电压源并且步进电机和直流电机中转子与定子磁场的旋转是同步的而感应电机中转子的转速滞后于定子磁场的转速。
