基于MCU和DSP的步进电机控制技术
图3给出的例子是一个双相、6极步进电机,其中包含3个永久磁铁,因而有6个磁极。第一步,如图3a所示,我们给绕组1施加电压,在定子中产生一个北极指向其顶部的磁场,于是,转子的南极(图3a中红色的"S"一端)转向了该图的上方。接着,在图3b中,我们给绕组2施加电压,定子中产生一个北极指向其左侧的磁常于是,转子的一个距离最近的南极转向了图的左方,即转子顺时针转动了30°。第三步,在图3c中,我们又向绕组1施加一个电压,在定子中产生一个北极指向图下方的磁场,从而又使转子顺时针旋转30°到达图3c所示的位置。而在图3d中,我们给绕组2施加电压,在定子中产生一个北极指向定子右侧的磁场,再一次使转子顺时针旋转30°,到达图3d所示的位置。最后,我们再向绕组1施加电压,产生一个如图3a所示的北极指向定子上方的磁场,使得转子顺时针旋转30°,结束一个电周期。如此可以看出,4步电激励造成了120°的机械旋转。也就是说,该电机的电频率是机械频率的3倍,这一结果符合等式(1)。此外,我们从图3和等式(2)也能看出,该电机的转子每一步旋转30°。 图5:可用于驱动电机每个绕组的H桥电路 图6 图7:单极电机的控制电路 图8 图7给出一个单极电机的单相驱动电路。从中可以看出,当S1闭合而S2断开时,电流将由右至左流经电机绕组;而
电机的激励顺序
既然我们知道了一系列激励会使步进电机旋转,接下来就要设计硬件来实现所需的步进序列。一块能让电机动起来的硬件(或结合了硬件和软件的一套设备)就叫做电机驱动器。
从图4中可以看出我们怎样激励双相电机的绕组才能使电机转子旋转,图中,电机内的绕组抽头分别被标为1A、1B、2A和2B。其中,1A和1B是绕组1的两个抽头,2A和2B则是绕组2的两个抽头。
首先,要给脚1B和2B施加一个正电压,并将1A和2A接地。然后,给脚1B和2A施加一个正电压,而将1A和2B接地,这一过程其实取决于导线绕齿槽缠绕的方向,假设导线缠绕的方向与上一节所述相符。依次进行下去,我们就得到了表1中总结的激励顺序,其中,"1"表示正电压,"0"表示接地。
电流在电机绕组中有两种可能的流向,这样的电机就叫做双极电机和双极驱动序列。双极电机通常由一种叫做H桥的电路驱动,图5给出了连接H桥和步进电机两根抽头的电路。H桥通过一个电阻连接到一个电压固定的直流电源(其幅度可根据电机的要求选取),然后,该电路再经过4个开关(分别标为S1、S2、S3和S4)连接到绕组的两根抽头。这一电路的分布看起来有点象一个大写字母H,因此叫做H桥。
对绕组1的激励方法也不外乎如此,使用一对H桥就能产生需要的激励信号序列。表2所示就是激励过程中每一步开关所在的位置。
单极电机及其驱动器
前面我们已经讨论了双极步进电机和驱动器。单极电机与双极电机类似,不同的是在单极电机中外部能够接触到的只有每个绕组的中心抽头,如图6所示。我们将从绕组顶部抽出的抽头标为抽头B,底部抽出的标为抽头A,中间的为抽头C。
有时我们会遇到一些抽头没有标注的电机,如果我们清楚步进电机的构造,就很容易通过测量抽头之间的阻值,识别出哪些抽头属于哪根绕组。不同绕组的抽头之间阻抗通常为无穷大。如果经测量,抽头A和C之间的阻抗为100欧姆,那么抽头B和C之间的阻抗也应是100欧姆,而A和B之间的阻抗为200欧姆。200欧姆这一阻抗值就叫做绕组阻抗。
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