步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。作为控制执行部件,它广泛应用于自动控制和精密机械等领域。例如,在仪器仪表、机床设备以及计算机的外围设备中(如打印机、绘图仪等),凡需要对转角进行精确控制的情况下,使用步进电机最为理想。
1.步进电机的控制原理
步进电机两个相邻磁极之间的夹角为 60 °,线圈绕过相对的两个磁极,构成一相( A-A ' B-B ' C-C ')。磁极上有 5 个均匀分布的矩形小齿,转子上没有绕组,而有 40 个矩形小齿均匀分布在其圆周上,且相邻两个齿之间的夹角为 9 °。
当某相绕组通电时,相应的两个磁极就分别形成 N-S 极,产生磁场,并与转子形成磁路。如果这时定子的小齿与转子的小齿没有对齐,则在磁场的作用下转子将转动一定的角度,使转子齿与定子齿对齐,从而使步进电机向前“走”一步。
2.步进电机的控制方式
如果通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流,就可以控制电机的转动,从而实现数字→角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比,转动的速度与脉冲频率成正比,而转动方向则与脉冲的顺序有关。以三相步进电机为例,电流脉冲的施加共有三种方式。
(1)单相三拍方式——按单相绕组施加电流脉冲
→ A → B → C → A 正转 ; → A → C → B → A 反转
(2)双相三拍方式——按双相绕组施加电流脉冲
→ AB → BC → CA 正转; → BA → AC → CB 反转
(3)三相六拍方式——单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲
→ A → AB → B → BC → C → CA 正转; → A → AC → C → CB → B → BA 反转
单相三拍方式的每一拍步进角为 3 °,三相六拍的步进角为 1.5 °,因此,在三相六拍下,步进电机的运行平稳,但在同样的运行角度与速度下,三相六拍驱动脉冲的频率需提高一倍,对驱动开关管的开关特性要求较高。
3.步进电机的驱动方式
步进电机常用的驱动方式是全电压驱动,即在电机移步与锁步时都加载额定电压。为了防止电机过流及改善驱动特性,需加限流电阻。由于步进电机锁步时,限流电阻要消耗掉大量的功率,故限流电阻要有较大的功率容量,并且开关管也要有较高的负载能力。
步进电机的另一种驱动方式是高低压驱动,即在电机移步时,加额定后超过额定值的电压,以便在较大的电流驱动下,使电机快速移步;而在锁步时,则加低于额定值的电压,只让电机绕组流过锁步所需的电流值。(http://www.ippipp.com/版权所有)这样,既可以减少限流电阻的功率消耗,又可以提高电机的运行速度,但这种驱动方式的电路要复杂一些。
驱动脉冲的分配可以使用硬件方法,即用脉冲分配器实现。现在脉冲分配器已经标准化、芯片化,市场上可以买到。但硬件方法结构复杂,成本也较高。
步进电机控制(包括控制脉冲的产生和分配)也可以使用软件方法,即用单片机实现,这样简化了电路,也降低了成本。使用单片机以软件方式驱动步进电机,不但可以通过编程方法,在一定范围内自由设定步进电机的转速、往返转动的角度以及转动次数等,而且还可以方便灵活地控制步进电机的运行状态,以满足不同用户的要求。因此,常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。
4.步进电机的单片机控制
步进电机控制的最大特点是开环控制,不需要反馈信号。因为步进电机的运动不产生旋转的误差积累。