【文章內容簡介】 3. 步進電機步進電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是：它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。步進電機分三種：永磁式（PM），反應式（VR）和混合式(HB)，步進電機又稱為脈沖電機，是工業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動，反轉和制動的執(zhí)行元件，其功用是將電脈沖轉換為相應的角位移或直線位移，由于開環(huán)下就能實現(xiàn)精確定位的特點，使其在工業(yè)控制領域獲得了廣泛應用。步進電機的運轉是由電脈沖信號控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數成正比，每個一個脈沖，步進電機就轉動一個角度（不距角）或前進、倒退一步。步進電機旋轉的角度由輸入的電脈沖數確定，所以，也有人稱步進電機為數字/角度轉換器。① 四相步進電機的工作原理該設計采用了20BY0型步進電機，該電機為四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機轉動。當某一相繞組通電時，對應的磁極產生磁場，并與轉子形成磁路，這時，如果定子和轉子的小齒沒有對齊，在磁場的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，則轉子將轉動一定的角度，使轉子與定子的齒相互對齊，由此可見，錯齒是促使電機旋轉的原因。② 步進電機的靜態(tài)指標及術語相數：產生不同隊N、S磁場的激磁線圈對數，常用m表示。拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB→BC→CD→DA→AB,四相八拍運行方式即A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。Θ=360度（轉子齒角運行拍數），以常規(guī)二、四相，轉子齒角為50齒角電機為例。四相運行時步距角為θ=360度/（50*4）=，八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=。定位轉矩：電機在不通電的狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。靜轉矩：電機在額定靜態(tài)作業(yè)下，電機不做旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。雖然靜態(tài)轉矩與電磁激磁匝數成正比，與定子和轉子間的氣隙有關。但過分采用減小氣隙，增加勵磁匝數來提高靜轉矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。③ 四相步進電機的脈沖分配規(guī)律目前，對步進電機的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設計利用單片機進行控制，主要是利用軟件進行環(huán)形脈沖分配。四相步進電機的工作方式為四相單四拍，雙四拍和四相八拍工作的方式。各種工作方式在電源通電時的時序與波形分別如圖3 所示。本設計的電機工作方式為四相單四拍，根據步進電機的工作的時序和波形圖，總結出其工作方式為四相單四拍時的脈沖分配規(guī)律，四相雙四拍的脈沖分配規(guī)律，在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉速就越快，但脈沖頻率高到一定程度，步進電機跟不上頻率的變化后電機會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在步進電機允許的范圍內。圖 3表2四象單四拍脈沖分配表 表3四象雙四拍脈沖分配表 ABCDN1000N+10100N+20010N+30001ABCDN1100N+10110N+20011N+31001由于步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專業(yè)設備步進電機控制驅動器，典型步進電機控制系統(tǒng)如圖1所示：控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列，環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經過功率放大器的放大加到步進電機驅動電源的各項輸入端，以驅動步進電機的轉動，環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構成的環(huán)形分配器，通常稱硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅動步進電機的目的，步進電機的基本控制包括轉向控制和速度控制兩個方面。從結構上看，步進電機分為三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種，其基本原理如下：（1） 換相順序的控制通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如，三相步進電機在單三拍的工作方式下，其各相通電順序為A→B→C→A，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A、B、C相的通斷。三相雙三拍的通電順序為AB→BC→CA→AB，三相六拍的通電順序為A→AB→B→BC→C→CA→A。（2） 步進電機的換向控制如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉。若步進電機的勵磁方式為三相六拍，即A→AB→B→BC→C→CA→A。如果按反序通電換相，即A→AC→C→CB→B→BA→A，則電機就反轉。其他方式情況類似。（3） 步進電機的速度控制如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整送給步進電機的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調試。（4） 步進電機的起?？刂?步進電機由于其電氣特性，運轉時會有步進感。為了使電機轉動平滑，減小振動，可在步進電機控制脈沖的上升沿和下降沿采用細分的梯形波，可以減小步進電機的步進角，跳過電機運行的平穩(wěn)性。在步進電機停轉時，為了防止因慣性而使電機軸產生順滑，則需采用合適的鎖定波形，產生鎖定磁力矩，鎖定步進電機的轉軸，使步進電機轉軸不能自由轉動。（5） 步進電機的加減速控制 在步進電機控制系統(tǒng)中，通過實驗發(fā)現(xiàn)，如果信號變化太快，步進電機由于慣性跟不上電信號的變化，這時就會產生堵轉和失步現(xiàn)象。所有步進電機在啟動時，必須有加速過程，在停止時波形有減速過程。理想的加速曲線一般為指數曲線，步進電機整個降速過程頻率變化規(guī)律是整個加速過程頻率變化規(guī)律的逆過程。選定的曲線比較符合步進電機升降過程的運行規(guī)律，能充分利用步進電機的有效轉矩，快速響應性好，縮短了升降速的時間，并可防止失步和過沖現(xiàn)象。在一個實際的控制系統(tǒng)中，要根據負載的情況來選擇步進電機。步進電機能響應而不失步的最高步進頻率稱為“啟動頻率”，于此類似“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號突然關斷，步進電機不沖過目標位置的最高步進頻率。電機的啟動頻率、停止頻率和輸出轉矩都要和負載的轉動慣量相適應，有了這些數據，才能有效地對電機進行加減速控制。加速過程有突然施加的脈沖啟動頻率f0。步進電機的最高啟動頻率（突跳頻率）一般為 3~4KHz，而最高運行頻率則可以達到N*102KHz，以超過最高啟動頻率的頻率直接啟動，會產生堵轉和失步的現(xiàn)象。圖4步進電機運行過程中頻率變化曲線在一般的應用中，經過大量實踐和反復驗證，頻率如按直線上升或下降，控制效果就可以滿足常規(guī)的應用要求。用PLC實現(xiàn)步進電機的加P減速控制，實際上就是控制發(fā)脈沖的頻率。加速時，使脈沖頻率增高，減速則相反。如果使用定時器來控制電機的速度，加減速控制就是不斷改變定時中斷的設定值。速度從v1~v2變化，如果是線性增加，則按給定的斜率加P減速；如果是突變，則按階梯加速處理。在此過程中要處理好兩個問題：①速度轉換時間應盡量短。為了縮短速度轉換的時間，可以采用建立數據表的方法。結合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率，就可以建立一個連續(xù)的數據表，并通過轉換程序將其轉換為定時初始表。通過在不同的階段調用相應的定時初值，就可控制電機的運行。定時初值的計算是在定時中斷外實現(xiàn)的，并不占用中斷時間，保證電機的高速運行。②保證控制速度的精確性。要從一個速度準確達到另一個速度，就要建立一個校驗機制，以防超過或未達