【文章內(nèi)容簡介】 電機下一相導(dǎo)通時，斷電相繞組中的衰減電流對步進電機起制動作用。 如圖 所示為一相勵磁時的等效電路。 L 為繞組電感， R 為串聯(lián)回路的總電阻， E 為反電動勢。當步進電機為鎖定狀態(tài)時，忽略 T 管的壓降，則繞組的電流為 U/R。如果 T 斷電，繞組中磁場能量將極力保持原有電流的方向。晶體管上的管壓降將隨 Ldi/dt 正比的增加，這個峰值電壓的大小可能會超過一個晶體管的最大耐壓 U，造成晶體管損壞。常用的步進電機可以很容易產(chǎn)生數(shù) 值 13 比步進電機外加電壓大的峰值電感電動勢。這個電感電動勢必須控制在晶體管安全運行區(qū)域內(nèi)。所以驅(qū)動電路除了對步進電機繞組提供導(dǎo)通回路外，還必須提供一個繞組斷電時的續(xù)流回路，其作用是既要保證電流的泄放的速度，同時又要抑制電感電勢，保護晶體管不受感應(yīng)電動勢峰值的沖擊。 圖 一相勵磁電路 二極管續(xù)流 抑制電勢的最簡單的形式是用二極管跨接步進電機繞組的兩端，如圖 所示。在繞組導(dǎo)通期間，二極管處于反向截止狀態(tài)。當繞組斷電時，繞組電勢極性反向，二極管處于正向?qū)ǖ臓顟B(tài)，為電流提供一個續(xù)流回路，二極 管把功放管的集射極電壓鉗位到電源電壓 +U。 當一相繞組斷電時，存儲在繞組中的能量必須消耗在電路的電阻 R 中，該電阻包括繞組電阻，串聯(lián)電阻和二極管正向?qū)娮?，衰減時間常數(shù)為 L/R。在低速時，斷電相電流衰減緩慢是允許的，但高速時，就會影響步進電機的控制性能。 14 圖 二極管泄放電路 圖 負載曲線 二極管 — 電阻續(xù)流 要求高速或變速運行時，斷電繞組的能量必須盡快消耗，這可以通過增加一個與二極管串聯(lián)的電阻 Rs，以減少泄放回路的時間常數(shù)，此時斷電回 路的時間常數(shù)為 L/(R+Rs)。 Rs 的最大值取決于集 — 射極間的擊穿電壓 Ucer。當步進電機截止時，若通過二極管的初始電流為額定電流 In，即 In=U/R 則晶體管集 — 射極間的壓降為 Uce=U+RsIn=U（ 1+Rs/R） 這樣為使 UceUcer 則 RsR(Ucer/U－ 1) 15 圖 二極管 — 電阻續(xù)流回路 圖 負載曲線 由以上分析可知續(xù)流電路的特點如下： (1) 斷電相的磁場能量總是消耗在回路的電阻上，其中包括電動機繞組自身的電阻。 (2) 續(xù)流串聯(lián)電阻的 大小因需要保護功放管的安全而受到限制。 (3) 衰減時間常數(shù)大，在步進電機高速運行時產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩，影響系統(tǒng)的特性。 步進電機驅(qū)動電路 步進電機不能直接接到交、直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備 — 步進電機驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與步進電機的自身性能有關(guān)外，在很大程度上也取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。步進電機的驅(qū)動電路應(yīng)該既要保證繞組有足夠的電壓電流，同時又要保證驅(qū)動級功率器件的安全運行，另外還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗和較低的成本。 驅(qū)動級的功率放大器件有中功率晶體管、大功率的晶體管、達林頓管、可 16 控硅以及各種功率模塊。對于小功率的步進電機，可用中小功率晶體管進行驅(qū)動，晶體管具有放大倍數(shù)大、線路簡單等優(yōu)點，用于驅(qū)動小功率的步進電機（繞組電流在數(shù)百毫安）。對于功率較大的步進電機，由于繞組所需要的電流較大、電壓高、反電動勢也大，因此需要用大功率的的晶體管驅(qū)動。 步進電機驅(qū)動電路與一般電氣設(shè)備驅(qū)動的不同點主要有： (1) 各相繞組都是工作在開關(guān)狀態(tài)，多數(shù)電動機的繞組都是連續(xù)的交流或者直流，而步進電機的各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是離散的。 (2) 電動機的各相繞組是繞在鐵心上的線圈，所以 都有比較大的電感。繞組通電時電流上升率受到限制，因而影響電動機繞組電流的大小。 (3) 繞組斷電時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應(yīng)該截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計適當?shù)睦m(xù)流回路。繞組導(dǎo)通和截止過程中都會產(chǎn)生較大的反向電動勢，而截止時的反電動勢將對驅(qū)動級器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響。 (4) 電動機運轉(zhuǎn)時在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢，這些電動勢的大小和方向?qū)@組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電動勢基本上與電動機轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電動勢越大，繞組電流越小，從而使電 動機輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。 (5) 電動機繞組中有電感電動勢、互感電動勢、旋轉(zhuǎn)電動勢。這些電動勢與外加電源共同作用于功率器件，當其疊加結(jié)果使電動機繞組兩端電壓大大超過電源電壓時，會使驅(qū)動級的工作條件更為惡化。 由于步進電機需要的驅(qū)動電流比較大，所以單片機與步進電機的連接都需要專門的接口電路及驅(qū)動電路。接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程的接 17 口芯片，如 825 8155 等。驅(qū)動器可以用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動器。本系統(tǒng)為了抗干擾，或避免一旦驅(qū)動電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號進入單片 機而燒毀器件，因而在驅(qū)動器與單片機之間增加一級光耦隔離器。其接口電路原理圖如圖 所示。 圖 驅(qū)動電路 電路工作原理：當 A 輸出為 1 時，發(fā)光二極管不發(fā)光，因而光敏三極光截止，從而使達林頓管導(dǎo)通， A 相繞組通電。反之當 A 為 0 時經(jīng)反相后，使發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，從而使達林頓管截止， A 相繞組不通電，控制B、 C、 D 相亦然。總之，只要按一定的順序改變 A、 B、 C、 D 通電的順序，就可控制步進電機按一定的方向步進 【 5】 。 步進電機的變速控制 對于大多數(shù)的任務(wù)而言，總希望控制系統(tǒng)能盡快地到 達控制終點。因此要求步進電機的速度盡可能快一些，但如果速度太快，則可能發(fā)生失步。此外一般步進電機對空載最高啟動頻率都是有所限制的。所謂的最高空載啟動頻率是指步進電機空載時，轉(zhuǎn)子從靜止狀態(tài)不失步地進入同步狀態(tài)（即步進電機每秒鐘轉(zhuǎn)過的角度和控制頻率相對應(yīng)的工作狀態(tài)）的最大控制頻率。當步進電機帶 18 負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。根據(jù)步進電機的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉(zhuǎn)矩越小，帶負載的能力越差；當步進電機啟動后，進入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠大于啟動頻率。由此可見，一個靜止的步進電機不可能一下子穩(wěn)定到較 高的工作頻率，必須在啟動的瞬間采取加速的措施。一般來說，升頻的時間約為 ~1s 之間。系統(tǒng)運行起來之后，如果到達終點時立即停止，可能會因系統(tǒng)慣性的原因，發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象，使點位控制發(fā)生偏差，所以從高速運行到停止也應(yīng)該有減速的措施 【 6 】 。 為此，提出一種變速控制的程序，該程序的基本思想是，在啟動時，以低于響應(yīng)頻率 fs 的速度運行；然后開始慢慢加速，加速到一定頻率 fe 后就以此速率恒速運行。當快要到達終點時，又使其慢慢減速，在低于響應(yīng)頻率 fs 的速率下運行，直到走完所規(guī)定的步數(shù)后就停止運行。這樣步進電機便可以以最 快的速度走完所規(guī)定的步數(shù)，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。因此在點位控制過程中，運行速度需要有一個加速 — 恒速 — 減速 — 低恒速 — 停止的過程，上述的變速控制過程如圖 所示。 圖 點 — 位控制的加減速過程 對于一個非常短的距離，如在數(shù)步范圍內(nèi)，電動機的加減速過程沒有實際意義，只需要按起動頻率運行即可。對于中等或比較長的運行距離，步進電機 19 加速后應(yīng)該有一個恒速的過程。系統(tǒng)在工作過程中，都要求加減速的時間盡量短，而恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點到終點的時間要求最短，這就必須要求加減速的過程最短 而恒速時速度最高。 加速時的起始速度應(yīng)該等于或略小于系統(tǒng)的極限起動頻率，而不是從零開始。減速過程結(jié)束時的速度一般等于或略低于起動速度，再經(jīng)數(shù)步低速運行后停止。 升速的規(guī)律一般有兩種，一是按直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速。按直線規(guī)律升速時加速度為恒定，因此要求步進電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。但實際上步進電機升速時由于反電動勢和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減小，因此輸出的轉(zhuǎn)矩會有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速時，加速度是逐漸下降的，接近步進電機輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律 【 7 】 。 由于步進電機的速度正比于脈沖頻率，控制步進電機的速度實際上就是控制脈沖頻率。用單片機對步進電機進行加減速控制，即控制 CP 脈沖的時間間隔。升速時使脈沖逐漸加密，減速時使脈沖逐漸變疏。本系統(tǒng)采用定時器中斷來控制步進電機的加減速，實際上是不斷改變定時器的定時初值的大小。在運行的過程中用查表的方式查出所需的定時初值，從而減小占用 CPU 的時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 步進電機的加減速控制技術(shù)是步進電機控制中的一項關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響步進電機運行的平穩(wěn)性、升降速的快慢、定位精度等性能，從而決定了步進電機控制系統(tǒng)的綜合性能 。采用步進電機的加減速控制可以有效地克服步進電機啟動過程中出現(xiàn)失步的問題，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度 【 8】 。 20 變速控制的方法 改變控制方式的變速控制 最簡單的變速控制可以利用改變步進電機的控制方式實現(xiàn)。例如，在三相步進電機中，啟動或停止時，用三相六拍，大約在 秒后，改用三相三拍的的分配方式，在快到達終點時，再次采用三相六拍的控制方式，以 達到減速的目的。 均勻地改變脈沖時間間隔的變速控制 步進電機的加減速控制，可以均勻地改變脈沖時間間隔來實現(xiàn)。例如在加速控制中，可以均勻地減少延時時間間隔；在減速時，可以均勻地增加延時時間間隔。具體地說，就是均勻地增加或減少延時程序中延時時間常數(shù)。 這種控制方法的優(yōu)點是，由于延時的長短不受限制，使步進電機的頻率變化范圍比較寬，但它降低了單片機的實時處理能力。 采用定時器的變速控制 在單片機控制系統(tǒng)中，可以采用單片機內(nèi)部的定時器來提供 CP 脈沖。其方法是將定時器初始化后，每隔一定的時間向 CPU 申請一次中斷 ， CPU 響應(yīng)中斷后便發(fā)出一個脈沖。此時只要均勻地改變定時器時間常數(shù)，即可達到均勻加減速的目的 【 9】 。 這種方法的優(yōu)點是減少占用 CPU 的時間，提高控制系統(tǒng)的效率和實時處理能力。為了提高單片機的實時處理能力，系統(tǒng)采用中斷的方法進行調(diào)速。 步進電機在自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用 由于步進電機的運動特性受電壓波動和負載變化的影響比較小，方向和轉(zhuǎn) 21 角控制簡單，并且步進電機能直接接受數(shù)字量的控制，非常適合采用微機進行控制。此外，步進電機不需要位置傳感器或速度傳感器可以在開環(huán)狀態(tài)下定位或同步運行，有利于裝置或設(shè)備的小型 化和低成本，因而在軟盤驅(qū)動器、掃描儀、打印機、數(shù)控機床和自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中都得了到廣泛的應(yīng)用 【 10】 。 自動生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)如圖 所示，它由搬運站、供料站、加工站、裝配站和分揀站構(gòu)成，每一個工作站都可自成一個獨立的系統(tǒng)。搬運站的功能是向各個工作單元輸送工件，每完成一道工序就把工件送給下一個工作站，等加工站完成后再將工件送到裝配站和分揀站整個自動生產(chǎn)線的加工過程就完成。搬運站的整體運動采用步進電機驅(qū)動，具有定位精確和快速的特點。該步進電機驅(qū)動系統(tǒng)具有行程長、多定位點的特點，是一個典型的一維位置控制系統(tǒng)。因此步進電機的運動控制在自動生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用。 為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，需要步進電機的速度盡可能的快，但為了防止步進電機在啟動過程中發(fā)生失步，需要按一定的規(guī)律對步進電機的速度進行控制，也就是對步進電機的脈沖頻率進行控制。當停車時，由較高的頻率突然降為零頻率，使步進電機立即停止，可能會由于系統(tǒng)慣性的原因，轉(zhuǎn)子會沖過終點，結(jié)果使停車不準確，因此停車也必須有一個降頻的過程。整個加減速的控制，如本文所述的步進電機加減速控制。 圖 自動生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)示意圖 22 步進電機傳動組件由齒輪傳動，每轉(zhuǎn)一圈搬運站移動 55mm，如果步距角為θ，每轉(zhuǎn)一圈需要走的步數(shù) N=360176。 /θ，那每一步走過的距離為 L=55/N。由此可以算出每個站點之間的需要走的步數(shù)，即需要總的脈沖個數(shù)。例如一個步距角為 176。的步進電機，從供料站到加工站的距離為 470mm，需要總的脈沖個數(shù)為 1709 個 【 11】 。各站點之間的距離如表 所示。 表 各站點距離 序號 站點 距離 1 供料站 — 加工站 470mm 2 加工站 — 裝配站 286mm 3 裝配站 — 分揀站 235mm 4 分揀站 — 返回工作原點 925mm 選用的步進電機的步距角越小，定位 精度就越高。步進電機需要走的步數(shù)可以根據(jù)不同距離預(yù)先計算好，然后在單片機程序里設(shè)定好，也可以通過上位機進行控制。 本章小結(jié) 本章首先分析了步進電機的原理，并總結(jié)步進電機控制系統(tǒng)的特點；其次根據(jù)步進電機的控制特點，設(shè)計步進電機的驅(qū)動電路和環(huán)形脈沖分配器；為了使控制系統(tǒng)快以最短時間到達控制終點，并根據(jù)步進電機的矩頻特性設(shè)計步進電機的變速控制的方法。最后根據(jù)步進電機的優(yōu)點，介紹步進電機在自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用。 23 第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件系統(tǒng)設(shè)計原則 系統(tǒng)的擴展和模塊設(shè) 計應(yīng)遵循下列原則 【 12】 ： （ 1）盡可能選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計的成功率和結(jié)構(gòu)的