步進電機驅動控制設計與實現

2014-09-22 05:35:36詹莊春

長沙航空職業技術學院學報 2014年2期

詹莊春

(華南農業大學珠江學院，廣東廣州 510900)

步進電機模型及其仿真普遍地滲入到實踐教學中，不負眾望，經過簡單開環設計，其硬件模型低速運行平穩、定位精度高;相比之下，在高速運行時，其仿真不理想，出現了“丟步”和“顫動”的問題。于是改進硬件電路，修善程序設計，且當功能實現后，做出了應有的理論分析。

1 步進電機的結構原理

往下皆以四相八拍反應式步進電機為例，采用單極性直流電源供電，其結構原理如圖1所示。定轉子鐵心均由軟磁材料或硅鋼片疊成凸極結構，磁極上可開小齒，定子磁極上套有控制繞組，轉子上沒有繞組。

圖1 四相八拍步進電機結構原理示意圖

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構，即當步進驅動器接收到一個脈沖信號，便驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度即步矩角，其中錯齒是促使電機旋轉的原因［1］。通過控制脈沖個數可以控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機的轉速，從而達到調速的目的。

2 驅動控制設計思路

據步進電機的結構原理可知，四相八拍觸發方式為A→AB→B→…→A，為實現其相序，可采取步進電機專用控制芯片L297。通過時鐘步進驅動，L297能產生4相信號、以8拍方式控制步進電機，其芯片內的PWM斬波器電路可開關模式下調節步進電機繞組中的電流，該集成電路使用5V的電源電壓，全部信號的連接都與TTL/CMOS或集電極開路的晶體管兼容。

為實現對步進電機的驅動，可采取步進電機專用驅動芯片L298，其內部包含4個邏輯信道和1個雙全橋式H－Bridge的高電壓、大電流驅動器，接收TTL邏輯信號，可驅動46V、2A以下的步進電機，且可以直接通過電源來調節輸出電壓［2］。此芯片配合L297一起使用。

3 系統仿真電路的實現

該系統選用20BY－0型四相步進電機，主要包括單片機AT89C51最小系統、控制電路、驅動電路和顯示電路四大部分［3］，使用單片機仿真軟件Proteus，利用按鈕“開始”和“停止”模擬系統電源的開關，仿真電路見圖2。最小系統主要保證單片機正常工作;控制電路由開關和按鍵組成，可實現速度加減和轉向的控制;驅動電路對脈沖進行功率放大，從而驅動電機轉動;顯示電路是為了顯示電機的工作狀態和轉速。

圖2 步進電機控制系統仿真電路圖

內部程序檢測P3.4和P3.5的狀態來調用換向程序，由P2.0口控制L297的方向控制端(CW/CCW)。根據P3.2和P3.3的狀態來改變輸出脈沖頻率，由P2.1控制時鐘輸入端，使L297輸出四相八拍工作所需的適當相序。L297的四相輸出接L298的IN1～IN4，使其OUT1～OUT4輸出放大后的四相驅動信號，驅動步進電機運行。通過P1口的P1.0～P1.7控制LM016L顯示步進電機的轉速轉向。

4 系統程序設計流程

程序要完成的主要工作有系統初始值的設置、系統狀態的顯示以及各種開關狀態的檢測判斷等，系統主程序流程見圖3a。其中，由定時器中斷子程序控制電機的轉向;由外部中斷子程序改變速度值存儲區中的數據(即時鐘周期)，從而改變電機的轉速，中斷子程序流程見圖3b。

圖3 步進電機控制系統程序流程圖

5 仿真結果與分析

經仿真可知，步矩角為45°，電機可實現正反轉，轉速加減可調，不存在丟步現象;低速運行穩定性極強，但高速運行穩定性稍差，以下對此進行理論分析。

步進電機屬于一種定子單邊激勵，定、轉子均為凸極結構的磁阻電動機，由于定子電流由變頻電源供電，電動機必須在開關模式下工作。忽略磁飽和，認為磁路是線性的，此時定子繞組電感L僅與轉子位置θ有關，而與電流無關，即L=L(θ)，轉子轉動θ增加，當定子極弧逐步覆蓋轉子極弧，L值將直線上升，反之則直線下降，A相電感LA隨θ的變化曲線見圖4a。若僅有A相激勵(其他依次滯后45°)，設磁能為 W(iA，θ)，由電感 LA(θ) 的變化所產生的磁阻轉矩TeA［4］為