步進電機自動化控制系中的應用

    上個世紀就出現了步進電動機，它是一種可以自由回轉的電磁鐵，動作原理和今天的反應式步進電動機沒有什么區別，也是依靠氣隙磁導的變化來產生電磁轉矩。在本世紀初，由于資本主義列強爭奪殖民地，造船工業發展很快，同時也使得步進電動機的技術得到了長足的進步。到了80年代后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態出現，步進電動機的控制方式更加靈活多樣。原來的步進電機控制系統采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調試安裝復雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設計電路。計算機則通過軟件來控制步進電機，更好地挖掘出電動機的潛力。因此，用計算機控制步進電機已經成為了一種必然的趨勢，也符合數字化的時代趨勢。

　　步進電機和普通電動機不同之處是步進電機接受脈沖信號的控制。步進電機靠一種叫環形分配器的電子開關器件，通過功率放大器使勵磁繞組按照順序輪流接通直流電源。由于勵磁繞組在空間中按一定的規律排列，輪流和直流電源接通后，就會在空間形成一種階躍變化的旋轉磁場，使轉子步進式的轉動，隨著脈沖頻率的增高，轉速就會增大。步進電機的旋轉同時與相數、分配數、轉子齒輪數有關。

　　現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機、永磁式步進電機、混合式步進電機和單相式步進電機等。其中反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。現階段，反應式步進電機獲得最多的應用。

    步進電機和普通電機的區別主要就在于其脈沖驅動的形式，正是這個特點，步進電機可以和現代的數字控制技術相結合。不過步進電機在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統的閉環控制的直流伺服電動機。在精度不是需要特別高的場合就可以使用步進電機，步進電機可以發揮其結構簡單、可靠性高和成本低的特點。使用恰當的時候，甚至可以和直流伺服電動機性能相媲美。

　　步進電機廣泛應用在生產實踐的各個領域。它最大的應用是在數控機床的制造中，因為步進電機不需要A/D轉換，能夠直接將數字脈沖信號轉化成為角位移，所以被認為是理想的數控機床的執行元件。早期的步進電機輸出轉矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達。隨著步進電動機技術的發展，步進電動機已經能夠單獨在系統上進行使用，成為了不可替代的執行元件。比如步進電動機用作數控銑床進給伺服機構的驅動電動機，在這個應用中，步進電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉矩，其二是傳遞信息。步進電機也可以作為數控蝸桿砂輪磨邊機同步系統的驅動電動機。除了在數控機床上的應用，步進電機也可以并用在其他的機械上，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅動器的馬達，也可以應用在打印機和繪圖儀中。

　　步進電動機以其顯著的特點，在數字化制造時代發揮著重大的用途。伴隨著不同的數字化技術的發展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。

一、 步進電機的控制原理

    步進電機兩個相鄰磁極之間的夾角為60。。線圈繞過相對的兩個磁極，構成一相（A-A’，B-B’，C-C’）。磁極上有5個均勻分布的矩形小齒，轉子上沒有繞組，而有40個小齒均勻分布在其圓周上，且相鄰兩個齒之間的夾角為9。。

當某組繞組通電時，相應的兩個磁極就分別形成N-S極，產生磁場，并與轉子形成磁路。如果這時定子的小齒與轉子沒有對齊，則在磁場的作用下轉子將轉動一定的角度，使轉子齒與定子齒對齊，從而使步進電機向前“走”一步。

1、 步進電機的控制方式

如果通過單片機按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機的轉動，從而實現數字 角度的轉換。轉動的角度大小與施加的脈沖數成正比，轉動的速度與脈沖頻率成正比，而轉動方向則與脈沖的順序有關。以三相步進電機為例，電流脈沖的施加共有三種方式。

（1） 單相三拍方式------按單相繞組施加電流脈沖
（2） 雙相三拍方式-----按雙相繞組施加電流脈沖
（3）三相六拍方式------單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖
單相三拍方式的每一拍步進角為3。，三相六拍的步進角則為1.5。,因此，在三相六拍下，步進電機的運行反轉平穩柔和，但在同樣的運行角度與速度下，三相六拍驅動脈沖的頻率需提高一倍，對驅動開關管的開關特性要求較高。

2、 步進電機的驅動方式

步進電機常用的驅動方式是全電壓驅動，即在電機移步與鎖步時都加載額定電壓。為了防止電機過流及改善驅動特性，需加限流電阻。由于步進電機鎖步時，限流電阻要消耗掉大量的功率，故限流電阻要有較大的功率容量，并且開關管也要有較高的負載能力。

步進電機的另一種驅動方式是高低壓驅動，即在電機移步時，加額定或超過額定值的電壓，以便在較大的電流驅動下，使電機快速移步；而在鎖步時，則加低于額定值的電壓，只讓電機繞組流過鎖步所需的電流值。這樣，既可以減少限流電阻的功率消耗，又可以提高電機的運行速度，但這種驅動方式的電路要復雜一些。

驅動脈沖的分配可以使用硬件方法，即用脈沖分配器實現。現在，脈沖分配器已經標準化、芯片化，市場上可以買到。但硬件方法結構復雜，成本也較高。

    步進電機控制（包括控制脈沖的產生和分配）也可以使用軟件方法，即用單片機實現，這樣既簡化了電路，也降低了成本。使用單片機以軟件方式驅動步進電機，不但可以通過編程方法，在一定范圍內自由設定步進電機的轉速、往返轉動的角度以及轉動次數等，而且還可以方便靈活地控制步進電機的運行狀態，以滿足不同用戶的要求。因此，常把單片機步進電機控制電路稱之為可編程步進電機控制驅動器。

二、 步進電機的單片機控制

步進電機控制的最大特點是開環控制，不需要反饋信號。因為步進電機的運動不產生旋轉量的誤差累積。

由單片機實現的步進電機控制系統如圖所示。

假定以8051的P1口線接步進電機的繞組，輸出控制電流脈沖，其中P1.0接A，P1.1接B，P1.2接C。

1、 雙相三拍控制

雙相三拍得控制模型如下表所示。

假定有如下工作單元和工作位定義：
R0為步進數寄存器；
PSW中，F0為方向標志位，F0=0正轉，F0<>0反轉。
參考程序如下：

2、 三相六拍控制程序

在雙相三拍得程序中，P1口輸出的控制字是在程序中給定的。而在三相六拍的控制中，由于控制字較多，故可以把這些控制字以表的形式預先存放在內部RAM單元中，運行程序時以查表的方式逐個取出并輸出。