【正文】 個均布的磁極，其夾角是 60186。各磁極上套有線圈，按圖 A、B、 C三相繞組。轉(zhuǎn)子上均布 40個小齒。所以每個齒的齒距為θ E=360186。/40=9186。，而定子每個磁極的極弧上也有 5個小齒，且定子和轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬均相同。由于定子和轉(zhuǎn)子的小齒數(shù)目分別是 30和 40，其比值是一分數(shù)，這就產(chǎn)生了所謂的齒錯位的情況。若以 A相磁極小齒和轉(zhuǎn)子的小齒對齊，如圖 ，那么 B相和 C相磁極的齒就會分別和轉(zhuǎn)子齒相錯三分之一的齒距，即 3186。因此， B、 C極下的磁阻比 A磁極下的磁阻大。若給 B相通電， B相繞組產(chǎn)生定子磁場，其磁力線穿越 B相磁極，并力圖按磁阻最小的路徑閉合，這就使轉(zhuǎn)子受到反應(yīng)轉(zhuǎn)矩（磁阻轉(zhuǎn)矩）的作用而轉(zhuǎn)動，直到 B磁極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對齊，恰好轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 3186。；此時 A、C磁極下的齒又分別與轉(zhuǎn)子齒錯開三分之一齒距。接著停止對 B相繞組通電，而改為 C相繞組通電，同理受反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)子按順時針方向再轉(zhuǎn)過 3186。依次類推，當(dāng)三相繞組按 A→ B→ C→ A順序循環(huán)通電時，轉(zhuǎn)子會按順時針方向，以每個通電脈沖轉(zhuǎn)動 3186。的規(guī)律步進式轉(zhuǎn)動起來。若改變通電順序，按 A→ C→ B→ A順序循環(huán)通電，則轉(zhuǎn)子就按逆時針方向以每個通電脈沖轉(zhuǎn)動 3186。的規(guī)律轉(zhuǎn)動。因為每一瞬間只有一相繞組通電，并且按三種通電狀態(tài)循環(huán)通電，故稱為單三拍運行方式。單三拍運行時的步矩角θ b為 30186。三相步進電機還有兩種通電方式，它們分別是雙三拍運行，即按 AB→ BC→ CA→ AB 順序循環(huán)通電的方式，以及單、雙六拍運行，即按 A→ AB→ B→ BC→ C→ CA→ A順序循環(huán)通電的方式。六拍運行時的步矩角將減小一半。反應(yīng)式步進電機的步距角可按下式計算： θ b=360186。/NEr (1) 8 式中 Er—— 轉(zhuǎn)子齒數(shù)； N—— 運行拍數(shù)， N=km， m為步進電機的繞組相數(shù)， k=1或 2。 步進電機的控制方式 步進電機控制雖然是一個比較精確的，步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)具有開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡單、控制方便等優(yōu)點，在采用單片機的步進電機開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的 CP 脈沖的頻率或者換向周期實際上就是控制步進電機的運行速度。系統(tǒng)可用兩種方法實現(xiàn)步進電機的速度控制。一種是延時，另一種是定時。延時方法是再每次換向之后調(diào)用一個延時子程序，待延時結(jié)束后再次執(zhí)行換向，這樣周而復(fù)始 就可發(fā)出一定頻率的 CP脈沖或換向周期。該方法簡單，占用資源燒，全部由軟件實現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實現(xiàn)不同的速度運行。但占用 CPU時間長，不能在運行時處理其他工作。因此只適合較簡單的控制過程。定時方法是利用單片機系統(tǒng)中的定時器定時功能產(chǎn)生任意周期的定時信號，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出 CP脈沖的周期。當(dāng)定時器啟動后，定時器從裝載的初值開始對系統(tǒng)及其周期進行加計數(shù)，當(dāng)定時器溢出是，定時器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時中斷子程序，將電機換向子程序放在定時中斷服務(wù)程序中，定時中斷一次，電機換向一次，從而實現(xiàn)電機的速度控制 。由于從定時器裝載完重新啟動開始至定時器申請中斷止，有一定的時間間隔，造成定時時間增加，為了減少這種定時誤差，實現(xiàn)精度定時，要對重裝的計數(shù)初值作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在某些時候，需要更多的可靠性、安全性或產(chǎn)品質(zhì)量的保證，因此，閉環(huán)控制也是一種選擇，一下是一些實現(xiàn)步進電機的閉環(huán)控制的方法： （ 1）步進確認，這是最簡單的位移控制，使用一個低值的光學(xué)編碼器計算步進移動的數(shù)量。一個簡單的回路與指令校驗，驗證步進電機移動到預(yù)計的位置； （ 2）反電動勢，一種無傳感器的檢測方法，使用步進電機的反電動勢信號，測量和控制速 度。當(dāng)反電動勢電壓降至監(jiān)測探測水平時，閉環(huán)控制轉(zhuǎn)為標準開環(huán)，完成最終的位移移動； （ 3）全伺候控制，指全時間的使用反饋設(shè)備，勇于步進電機編碼器、解碼器或其它反饋傳感器上，從而更為精確的控制步進電機位移和轉(zhuǎn)矩。 9 步進電機的驅(qū)動方式 不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電機驅(qū)動器，如圖 所示，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。圖中點劃線所包圍的二個單元可以用微機控制來實現(xiàn)。驅(qū)動單元與步進電機直接耦合，也可理解成步進電機微機控制器的功率接口 ，這里予以簡單介紹。 圖 步進電機 驅(qū)動控制器 1. 單電壓功率驅(qū)動接口 實用電路如圖 （ a）所示。在電機繞組回路中串有電阻 Rs，使電機回路時間常數(shù)減小，高頻時電機能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡單單電壓驅(qū)動線路中， Rs是不可缺少的。 Rs 對步進電機單步響應(yīng)的改善如圖 (b)。 10 圖 雙電壓驅(qū)動的功率接口如圖 。雙電壓驅(qū)動的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓 UL驅(qū)動，而在高速 （高頻段）時用較高的電壓 UH驅(qū)動。這種功率接口需要兩個控制信號， Uh 為高壓有效控制信號， U 為脈沖調(diào)寬驅(qū)動控制信號。圖中，功率管 TH 和二極管DL構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當(dāng) Uh低電平， TH關(guān)斷， DL正偏置，低電壓 UL對繞組供電。反之 Uh高電平， TH導(dǎo)通， DL反偏，高電壓 UH對繞組供電。這種電路可使電機在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時功耗減小。 圖 高低壓功率驅(qū)動接口如圖 。高低壓驅(qū)動的設(shè)計思想是，不論電機工作頻率如何，均利用高電壓 UH供電來提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓 UL來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻 Rs，消除了附加損耗。高低壓驅(qū)動功率接口也有兩個輸入控制信號 Uh和 Ul，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時刻跳變， 如圖 所示。圖中，高壓管 VTH的導(dǎo)通時間 tl 不能太大，也不能太小，太大時，電機電流過載；太小時，動態(tài)性能改善不明顯。一般可取 1~3ms。（當(dāng)這個數(shù)值與電機的電氣時間常數(shù)相當(dāng)時比較合適）。 11 圖 恒流驅(qū)動的設(shè)計思想是，設(shè)法使導(dǎo)通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時均保持固定數(shù)值。使電機具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性。這是目前使用較多、效果較好的一種功率接口。圖 。圖中 R是一個用于電流采樣的小阻值電阻，稱為采樣電阻。當(dāng)電流不大時， VT1和 VT2 同時受控于走步脈沖，當(dāng)電流超過恒流給定的數(shù)值， VT2 被封鎖，電源 U被切除。由于電機繞組具有較大電感，此時靠二極管 VD續(xù)流，維持繞組電流，電機靠消耗電感中的磁場能量產(chǎn)生出力 。此時電流將按指數(shù)曲線衰減，同樣電流采樣值將減小。當(dāng)電流小于恒流給定的數(shù)值， VT2導(dǎo)通，電源再次接通。如此反復(fù)，電機繞組電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上，形成小小的鋸齒波，如圖 。 圖 斬波恒流功率驅(qū)動接口 斬波恒流 功率驅(qū)動接口也有兩個輸入控制信號，其中 u1是數(shù)字脈沖， u2是模擬信號。這種功率接口的特點是：高頻響應(yīng)大大提高，接近恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，共振現(xiàn)象消除，但線路較復(fù)雜。目前已有相應(yīng)的集成功率模塊可供采用。 12 為了進一步提高驅(qū)動系統(tǒng)的高頻響應(yīng)，可采用升頻升壓功率驅(qū)動接口。這種接口對繞組提供的電壓與電機的運行頻率成線性關(guān)系。它的主回路實際上是一個開關(guān)穩(wěn)壓電源，利用頻率 電壓變換器，將驅(qū)動脈沖的頻率轉(zhuǎn)換成直流電平，并用此電平去控制開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸入，這就構(gòu)成了具有頻率反饋的功率驅(qū)動接口。 目前已有多種用于小功率步進電機的集成功率驅(qū)動接口電路可供選用。 L298 芯片是一種 H 橋式驅(qū)動器，它設(shè)計成接受標準 TTL 邏輯電平信號，可用來驅(qū)動電感性負載。 H橋可承受 46V電壓，相電流高達 。 L298(或 XQ298， SGS298)的邏輯電路使用 5V電源，功放級使用 5~46V電壓，下橋發(fā)射極均單獨引出，以便接入電流取樣電阻。 L298(等 )采用 15 腳雙列直插小瓦數(shù)式封裝，工業(yè)品等級。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 H橋驅(qū)動的主要特點是能夠?qū)﹄姍C繞組進行正、反兩個方向通電。 L298 特別適用于對二相或四相步進電機的驅(qū)動。 圖 L298原理框圖 與 L298類似的電路還有 TER公司的 3717，它是單 H橋電路。 SGS公司的 SG3635則是單橋臂電路， IR公司的 IR2130則是三相橋電路， Allegro公司則有 A291 A3953等小功率驅(qū)動模塊。 圖 L297(環(huán)形分配器專用芯片 )和 L298構(gòu)成的具有恒流斬波功能的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。 13 圖 專用芯片構(gòu)成的步進電動驅(qū)動系統(tǒng) 第三章 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的原理 轉(zhuǎn)速測量原理 一般的轉(zhuǎn)速長期測量系統(tǒng)是預(yù)先在軸上安裝一個有 60 齒的測速齒盤 ,用變磁阻式或電渦流式傳感器獲得一轉(zhuǎn) 60 倍轉(zhuǎn)速脈沖 ,再用測頻的辦法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。而臨時性轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng) ,多采用光電傳感器 ,從轉(zhuǎn)軸上預(yù)先粘貼的一個標志上獲得一轉(zhuǎn)一個轉(zhuǎn)速脈沖 ,隨后利用電子倍頻器和測頻方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。不論長期或臨時轉(zhuǎn)速測量 ,都可以在微處理器的參與下 ,通過測量轉(zhuǎn)軸上預(yù)留的一轉(zhuǎn)一齒的鑒相信號或光電信號的周期 ,換算出轉(zhuǎn)軸的頻率或轉(zhuǎn)速。即通過速度傳感器 ,將轉(zhuǎn)速信號變?yōu)殡娒}沖 ,利用微機在單位時間內(nèi)對脈沖進行計數(shù) ,再經(jīng)過軟件計算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。 即 : n=N/ (mT) (1) ◆ n ——— 轉(zhuǎn)速、單位 :轉(zhuǎn) / 分鐘 。 ◆ N ——— 采樣時間內(nèi)所計脈沖個數(shù) 。 ◆ T——— 采樣時間、單位 :分鐘 。 ◆ m ——— 每旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖個數(shù) (通常指測速碼盤的齒數(shù) ) 。 如果 m=60, 那么 1 秒鐘內(nèi)脈沖個數(shù) N就是轉(zhuǎn)速 n, 即 : n=N/ (mT) =N/60 1/60=N (2) ◆通常 m為 60。 14 在對轉(zhuǎn)速波動較快系統(tǒng)或要求動態(tài)特性好而精度高的轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)中 ,調(diào)節(jié)周期一般很短 ,相應(yīng)的采樣周期需取得很小 ,使得脈沖當(dāng) 量增高 ,從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)測量精度降低 ,難以滿足測控要求。提高采樣速率通常就要減小采樣時間 T, 而 T 的減小會使采到的脈沖數(shù)值 N 下降 ,導(dǎo)致脈沖當(dāng)量 (每個脈沖所代表的轉(zhuǎn)速 ) 增高 ,從而使得測量精度變得粗糙。通過增加測速碼盤的齒數(shù)可以提高精度 ,但是碼盤齒數(shù)的增加會受到加工工藝的限制 ,同時會使轉(zhuǎn)速測量脈沖的頻率增高 ,頻率的提升又會受到傳感器中光電器或磁敏器或磁電器件最高工作頻率的限制。凡此種種因素限制了常規(guī)智能轉(zhuǎn)速測量方法的使用范圍。而采用本文所提出的定時分時雙頻率采樣法 ,可在保證采樣精度的同時 ,提高采樣速率 ,充 分發(fā)揮微機智能測速方法的優(yōu)越性及靈