基于MCU和DSP的步进电机控制技术

步进电机已经渗透入我们生活的方方面面,本文介绍了一些重要的步进电机相关技术,为开发人员基本了解步进电机的工作原理提供了足够的信息,同时也介绍了用微控制器或数字信号处理器控制步进电机的方法。

基于MCU和DSP的步进电机控制技术

步进电机也叫步进器,它利用电磁学原理,将电能转换为机械能,人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等)的日益流行,步进电机的使用也开始暴增。

不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中,只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置,步进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形状和尺寸,但不论形状和尺寸如何,它们都可以归为两类:可变磁阻步进电机和永磁步进电机。本文重点讨论更为简单也更常用的永磁步进电机。

步进电机的构造

如图1所示,步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下,一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管,而在电机中,绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。如果线圈中电流的流向如图1所示,并且我们从电机顶部向下看齿槽的顶部,那么电流在绕两个齿槽按逆时针流向流动。根据安培定律和右手准则,这样的电流会产生一个北极向上的磁场。

基于MCU和DSP的步进电机控制技术

现在假设我们构造一个定子上缠绕有两个绕组的电机,内置一个能够绕中心任意转动的永久磁铁,这个可旋转部分叫做转子。图2给出了一种简单的电机,叫做双相双极电机,因为其定子上有两个绕组,而且其转子有两个磁极。如果我们按图2a所示方向给绕组1输送电流,而绕组2中没有电流流过,那么电机转子的南极就会自然地按图中所示,指向定子磁场的北极。

再假设我们切断绕组1中的电流,而按图2b所示方向给绕组2输送电流,那么定子的磁场就会指向左侧,而转子也会随之旋转,与定子磁场方向保持一致。

接着,我们再将绕组2的电流切断,按照图2c的方向给绕组1输送电流,注意:这时绕组1中的电流流向与图2a所示方向相反。于是定子的磁场北极就会指向下,从而导致转子旋转,其南极也指向下方。

然后我们又切断绕组1中的电流,按照图2d所示方向给绕组2输送电流,于是定子磁场又会指向右侧,从而使得转子旋转,其南极也指向右侧。

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最后,我们再一次切断绕组2中的电流,并给绕组1输送如图2a所示的电流,这样,转子又会回到原来的位置。

至此,我们对电机绕组完成了一个周期的电激励,电机转子旋转了一整圈。也就是说,电机的电频率等于它转动的机械频率。

如果我们用1秒钟顺序完成了图2所示的这4个步骤,那么电机的电频率就是1Hz。其转子旋转了一周,因而其机械频率也是1Hz。总之,一个双相步进电机的电频率和机械频率之间的关系可以用下式表示:

fe=fm*P/2 (1)

其中,fe代表电机的电频率,fm代表其机械频率,而P则代表电机转子的等距磁极数。

从图2中我们还可以看出,每一步操作都会使转子旋转90°,也就是说,一个双相步进电机每一步操作造成的旋转度数可由下式表示:

1 step= 180°/P (2)

由等式(2)可知,一个双极电机每动作一次可以旋转180°/2=90°,这与我们在图2中看到的情形正好相符。此外,该等式还表明,电机的磁极数越多,步进精度就越高。常见的是磁极数在12和200个之间的双相步进电机,这些电机的步进精度在15°和 0.9°之间。

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场。

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。

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