1. 步進(jìn)電機(jī)的工作原理
該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī),采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電,就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。
開始時(shí),開關(guān)SB接通電源,SA、SC、SD斷開,B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊,同時(shí),轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒,2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。
當(dāng)開關(guān)SC接通電源,SB、SA、SD斷開時(shí),由于C相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒,2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極
產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推,A、B、C、D四相繞組輪流供電,則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同,可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等,但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。
單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖2.a、b、c所示:
AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4~P1.7輸出,經(jīng)74LS14反相后進(jìn)入9014,經(jīng)9014放大后控制光電開關(guān),光電隔離后,由功率管TIP122將脈沖信號(hào)進(jìn)行電壓和電流放大,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組。使步進(jìn)電機(jī)隨著不同的脈沖信號(hào)分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止等動(dòng)作。圖中L1為步進(jìn)電機(jī)的一相繞組。AT89C2051選用頻率22MHz的晶振,選用較高晶振的目的是為了在方式2下盡量減小AT89C2051對(duì)上位機(jī)脈沖信號(hào)周期的影響。
圖3中的RL1~RL4為繞組內(nèi)阻,50Ω電阻是一外接電阻,起限流作用,也是一個(gè)改善回路時(shí)間常數(shù)的元件。D1~D4為續(xù)流二極管,使電機(jī)繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)通過續(xù)流二極管(D1~D4)而衰減掉,從而保護(hù)了功率管TIP122不受損壞。
在50Ω外接電阻上并聯(lián)一個(gè)200μF電容,可以改善注入步進(jìn)電機(jī)繞組的電流脈沖前沿,提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯(lián)的200Ω電阻可減小回路的放電時(shí)間常數(shù),使繞組中電流脈沖的后沿變陡,電流下降時(shí)間變小,也起到提高高頻工作性能的作用。
2.軟件設(shè)計(jì)
該驅(qū)動(dòng)器根據(jù)撥碼開關(guān)KX、KY的不同組合有三種工作方式供選擇:
方式1為中斷方式:P3.5(INT1)為步進(jìn)脈沖輸入端,P3.7為正反轉(zhuǎn)脈沖輸入端。上位機(jī)(PC機(jī)或單片機(jī))與驅(qū)動(dòng)器僅以2條線相連。
方式2為串行通訊方式:上位機(jī)(PC機(jī)或單片機(jī))將控制命令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制命令自行完成有關(guān)控制過程。
方式3為撥碼開關(guān)控制方式:通過K1~K5的不同組合,直接控制步進(jìn)電機(jī)。
當(dāng)上電或按下復(fù)位鍵KR后,AT89C2051先檢測(cè)撥碼開關(guān)KX、KY的狀態(tài),根據(jù)KX、KY 的不同組合,進(jìn)入不同的工作方式。以下給出方式1的程序流程框圖與源程序。
在程序的編制中,要特別注意步進(jìn)電機(jī)在換向時(shí)的處理。為使步進(jìn)電機(jī)在換向時(shí)能平滑過渡,不至于產(chǎn)生錯(cuò)步,應(yīng)在每一步中設(shè)置標(biāo)志位。其中20H單元的各位為步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)標(biāo)志位;21H單元各位為反轉(zhuǎn)標(biāo)志位。在正轉(zhuǎn)時(shí),不僅給正轉(zhuǎn)標(biāo)志位賦值,也同時(shí)給反轉(zhuǎn)標(biāo)志位賦值;在反轉(zhuǎn)時(shí)也如此。這樣,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)換向時(shí),就可以上一次的位置作為起點(diǎn)反向運(yùn)動(dòng),避免了電機(jī)換向時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)步。
3.步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路
為了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的相電流進(jìn)行控制,從而達(dá)到細(xì)分步進(jìn)電機(jī)步距角的目的,人們?cè)O(shè)計(jì)了很多種步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展,特別是單片計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),為步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)帶來了便利。目前,步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路大多數(shù)都采用單片微機(jī)控制。單片機(jī)根據(jù)要求的步距角計(jì)算出各相繞組中通過的電流值,并輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DPA) 中,由DPA 把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓,經(jīng)過環(huán)形分配器加到各相的功放電路上,控制功放電路給各相繞組通以相應(yīng)的電流,來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分。單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)末級(jí)功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開關(guān)型兩種(見下圖5)。