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本人在一塊Microchip PIC16F877上,，利用1N4003二極管和2SD1276A達(dá)靈頓晶體管實(shí)現(xiàn)了以上談到的FESTO步進(jìn)控制器,。PIC的PortA第0位到第3位用來做數(shù)字輸出。電機(jī)采用在Jameco購買的5V雙相單極電機(jī)（Airpax [Thomson]生產(chǎn),，型號(hào)為M82101-P1）,，并且用同一個(gè)5V電源為PIC和電機(jī)供電。但在真正應(yīng)用時(shí),，為避免給微控制器的電源信號(hào)引入噪聲，建議大家還是分別用不同的電源為電機(jī)和微控制器供電,。
       
    列表1給出了控制程序的匯編源代碼,，該程序每50毫秒旋轉(zhuǎn)電機(jī)一次。首先,，程序會(huì)將微控制器的數(shù)字輸出初始化為表4中*步的值,，然后每隔50毫秒（此時(shí)間常數(shù)由程序中的常量waitTime定義）按照正確的順序循環(huán)輸出數(shù)字信號(hào)。若需使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn),，只需按與表4所示相反的順序輸出數(shù)字信號(hào)即可,。

FESTO步進(jìn)電機(jī)也叫FESTO步進(jìn)器，它利用電磁學(xué)原理,，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,，人們早在20世紀(jì)20年代就開始使用這種電機(jī)。隨著嵌入式系統(tǒng)（例如打印機(jī),、磁盤驅(qū)動(dòng)器,、玩具,、雨刷、震動(dòng)尋呼機(jī),、機(jī)械手臂和錄像機(jī)等）的日益流行,，步進(jìn)電機(jī)的使用也開始暴增。不論在工業(yè),、軍事,、醫(yī)療、汽車還是娛樂業(yè)中,，只要需要把某件物體從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置,，步進(jìn)電機(jī)就一定能派上用場。步進(jìn)電機(jī)有許多種形狀和尺寸,，但不論形狀和尺寸如何,，它們都可以歸為兩類：可變磁阻步進(jìn)電機(jī)和永磁步進(jìn)電機(jī)。本文重點(diǎn)討論更為簡單也更常用的永磁步進(jìn)電機(jī),。

圖1：具有雙齒槽和單繞組的定子

FESTO步進(jìn)器的構(gòu)造
       
    如圖1所示,，FESTO步進(jìn)器是由一組纏繞在電機(jī)固定部件--定子齒槽上的線圈驅(qū)動(dòng)的。通常情況下,，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管,，而在電機(jī)中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組,、線圈,、或相。如果線圈中電流的流向如圖1所示,，并且我們從電機(jī)頂部向下看齒槽的頂部,，那么電流在繞兩個(gè)齒槽按逆時(shí)針流向流動(dòng)。根據(jù)安培定律和右手準(zhǔn)則,，這樣的電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)北極向上的磁場,。

圖2：雙相雙極電機(jī)

      
    現(xiàn)在假設(shè)我們構(gòu)造一個(gè)定子上纏繞有兩個(gè)繞組的電機(jī)，內(nèi)置一個(gè)能夠繞中心任意轉(zhuǎn)動(dòng)的*磁鐵,，這個(gè)可旋轉(zhuǎn)部分叫做轉(zhuǎn)子,。圖2給出了一種簡單的電機(jī)，叫做雙相雙極電機(jī),，因?yàn)槠涠ㄗ由嫌袃蓚€(gè)繞組,，而且其轉(zhuǎn)子有兩個(gè)磁極。如果我們按圖2a所示方向給繞組1輸送電流,，而繞組2中沒有電流流過,，那么電機(jī)轉(zhuǎn)子的南極就會(huì)自然地按圖中所示，指向定子磁場的北極。
       
    再假設(shè)我們切斷繞組1中的電流,，而按圖2b所示方向給繞組2輸送電流,，那么定子的磁場就會(huì)指向左側(cè)，而轉(zhuǎn)子也會(huì)隨之旋轉(zhuǎn),，與定子磁場方向保持一致,。
       
    接著，我們再將繞組2的電流切斷,，按照?qǐng)D2c的方向給繞組1輸送電流,，注意：這時(shí)繞組1中的電流流向與圖2a所示方向相反。于是定子的磁場北極就會(huì)指向下,，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),，其南極也指向下方。

    然后我們又切斷繞組1中的電流,，按照?qǐng)D2d所示方向給繞組2輸送電流,，于是定子磁場又會(huì)指向右側(cè)，從而使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),，其南極也指向右側(cè),。

圖3：雙相6極FESTO快速步進(jìn)器

       
    zui后，我們再一次切斷繞組2中的電流,，并給繞組1輸送如圖2a所示的電流,，這樣，轉(zhuǎn)子又會(huì)回到原來的位置,。
      
    至此,，我們對(duì)電機(jī)繞組完成了一個(gè)周期的電激勵(lì)，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一整圈,。也就是說,，電機(jī)的電頻率等于它轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械頻率。
       
    如果我們用1秒鐘順序完成了圖2所示的這4個(gè)步驟,，那么電機(jī)的電頻率就是1Hz,。其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了一周，因而其機(jī)械頻率也是1Hz,。總之,，一個(gè)雙相步進(jìn)電機(jī)的電頻率和機(jī)械頻率之間的關(guān)系可以用下式表示：
       
fe=fm*P/2 （1）
       
其中,，fe代表電機(jī)的電頻率，fm代表其機(jī)械頻率,，而P則代表電機(jī)轉(zhuǎn)子的等距磁極數(shù),。
       
    從圖2中我們還可以看出，每一步操作都會(huì)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90°，也就是說,，一個(gè)雙相步進(jìn)電機(jī)每一步操作造成的旋轉(zhuǎn)度數(shù)可由下式表示：
       
1 step= 180°/P （2）
       
    由等式（2）可知,，一個(gè)雙極電機(jī)每動(dòng)作一次可以旋轉(zhuǎn)180°/2=90°，這與我們在圖2中看到的情形正好相符,。此外,，該等式還表明，電機(jī)的磁極數(shù)越多,，步進(jìn)精度就越高,。常見的是磁極數(shù)在12和200個(gè)之間的雙相步進(jìn)電機(jī)，這些電機(jī)的步進(jìn)精度在15°和 0.9°之間,。

圖4：同時(shí)激勵(lì)電機(jī)的兩個(gè)繞組

       
    圖3給出的例子是一個(gè)雙相,、6極步進(jìn)電機(jī)，其中包含3個(gè)*磁鐵,，因而有6個(gè)磁極,。*步，如圖3a所示,，我們給繞組1施加電壓,，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向其頂部的磁場，于是,，轉(zhuǎn)子的南極（圖3a中紅色的“S”一端）轉(zhuǎn)向了該圖的上方,。接著，在圖3b中,，我們給繞組2施加電壓,，定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向其左側(cè)的磁場。于是,，轉(zhuǎn)子的一個(gè)距離zui近的南極轉(zhuǎn)向了圖的左方,，即轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)了30°。第三步,，在圖3c中,，我們又向繞組1施加一個(gè)電壓，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向圖下方的磁場,，從而又使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°到達(dá)圖3c所示的位置,。而在圖3d中，我們給繞組2施加電壓,，在定子中產(chǎn)生一個(gè)北極指向定子右側(cè)的磁場,，再一次使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°，到達(dá)圖3d所示的位置,。zui后,，我們再向繞組1施加電壓,，產(chǎn)生一個(gè)如圖3a所示的北極指向定子上方的磁場，使得轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°,，結(jié)束一個(gè)電周期,。如此可以看出，4步電激勵(lì)造成了120°的機(jī)械旋轉(zhuǎn),。也就是說,，該電機(jī)的電頻率是機(jī)械頻率的3倍，這一結(jié)果符合等式（1）,。此外,，我們從圖3和等式（2）也能看出，該電機(jī)的轉(zhuǎn)子每一步旋轉(zhuǎn)30°,。

圖5：可用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)每個(gè)繞組的H橋電路

      
    如果同時(shí)向兩個(gè)繞組輸送電流,，還能增大電機(jī)的扭矩，如圖4所示,。這時(shí),，電機(jī)定子的磁場是兩個(gè)繞組各自產(chǎn)生的磁場的矢量和，雖然這一磁場每一次動(dòng)作仍然只使電機(jī)旋轉(zhuǎn)90°,，就象圖2和圖3中一樣,，但因?yàn)槲覀兺瑫r(shí)激勵(lì)兩個(gè)電機(jī)繞組，所以此時(shí)的磁場比單獨(dú)激勵(lì)一個(gè)繞組時(shí)更強(qiáng),。由于該磁場是兩個(gè)垂直場的矢量和,，因此它等于單獨(dú)每個(gè)場的2×1.414倍，從而電機(jī)對(duì)其負(fù)載施加的扭矩也成正比增大,。

FESTO步進(jìn)器的激勵(lì)順序
       
    既然我們知道了一系列激勵(lì)會(huì)使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn),，接下來就要設(shè)計(jì)硬件來實(shí)現(xiàn)所需的步進(jìn)序列。一塊能讓電機(jī)動(dòng)起來的硬件（或結(jié)合了硬件和軟件的一套設(shè)備）就叫做電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,。
       
    從圖4中可以看出我們怎樣激勵(lì)雙相電機(jī)的繞組才能使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),，圖中，電機(jī)內(nèi)的繞組抽頭分別被標(biāo)為1A,、1B,、2A和2B。其中,，1A和1B是繞組1的兩個(gè)抽頭,，2A和2B則是繞組2的兩個(gè)抽頭。
       
    首先,，要給腳1B和2B施加一個(gè)正電壓,，并將1A和2A接地。然后,，給腳1B和2A施加一個(gè)正電壓,，而將1A和2B接地，這一過程其實(shí)取決于導(dǎo)線繞齒槽纏繞的方向,，假設(shè)導(dǎo)線纏繞的方向與上一節(jié)所述相符,。依次進(jìn)行下去，我們就得到了表1中總結(jié)的激勵(lì)順序,，其中,，“1”表示正電壓，“0”表示接地,。 
       
   電流在FESTO步進(jìn)器繞組中有兩種可能的流向,，這樣的電機(jī)就叫做雙極電機(jī)和雙極驅(qū)動(dòng)序列。雙極電機(jī)通常由一種叫做H橋的電路驅(qū)動(dòng),，圖5給出了連接H橋和步進(jìn)電機(jī)兩根抽頭的電路,。H橋通過一個(gè)電阻連接到一個(gè)電壓固定的直流電源（其幅度可根據(jù)電機(jī)的要求選取）,，然后,，該電路再經(jīng)過4個(gè)開關(guān)（分別標(biāo)為S1、S2,、S3和S4）連接到繞組的兩根抽頭,。這一電路的分布看起來有點(diǎn)象一個(gè)大寫字母H，因此叫做H橋,。

圖6

       
    從表1中可以看出,，要激勵(lì)該FESTO步進(jìn)器，*步應(yīng)將抽頭2A設(shè)為邏輯0,，2B設(shè)為邏輯1,，于是，我們可以閉合開關(guān)S1和S4,，并斷開開關(guān)S2和S3,。接著，需要將抽頭2A設(shè)為邏輯1,，2B設(shè)為邏輯0,，于是，我們可以閉合S2,、S3,，并斷開S1和S4。與此類似,，第三步我們可以閉合S2,、S3并斷開S1和S4，第四步則可以閉合S1,、S4并斷開S2,、S3,。
       
    對(duì)繞組1的激勵(lì)方法也不外乎如此，使用一對(duì)H橋就能產(chǎn)生需要的激勵(lì)信號(hào)序列,。表2所示就是激勵(lì)過程中每一步開關(guān)所在的位置,。

圖7：單極電機(jī)的控制電路

    
    注意，如果R=0,，而開關(guān)S1和S3又不小心同時(shí)閉合,，那么流經(jīng)開關(guān)的電流將達(dá)到無窮大。這時(shí),，不但開關(guān)會(huì)被燒壞,，電源也可能損壞，因此電路中使用了一個(gè)非零阻值的電阻,。盡管這個(gè)電阻會(huì)帶來一定的功耗,，也會(huì)降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的效率，但它可以提供短路保護(hù),。

單極電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器
       
    前面我們已經(jīng)討論了雙極步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器,。單極電機(jī)與雙極電機(jī)類似，不同的是在單極電機(jī)中外部能夠接觸到的只有每個(gè)繞組的中心抽頭,，如圖6所示,。我們將從繞組頂部抽出的抽頭標(biāo)為抽頭B，底部抽出的標(biāo)為抽頭A,，中間的為抽頭C,。
       
    有時(shí)我們會(huì)遇到一些抽頭沒有標(biāo)注的電機(jī)，如果我們清楚步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造,，就很容易通過測量抽頭之間的阻值,，識(shí)別出哪些抽頭屬于哪根繞組。不同繞組的抽頭之間阻抗通常為無窮大,。如果經(jīng)測量,，抽頭A和C之間的阻抗為100歐姆，那么抽頭B和C之間的阻抗也應(yīng)是100歐姆,，而A和B之間的阻抗為200歐姆,。200歐姆這一阻抗值就叫做繞組阻抗。

圖8

   
    圖7給出一個(gè)單極步進(jìn)器的單相驅(qū)動(dòng)電路,。從中可以看出,，當(dāng)S1閉合而S2斷開時(shí)，電流將由右至左流經(jīng)電機(jī)繞組,；而當(dāng)S1斷開,，S2閉合時(shí)，電流流向變?yōu)橛勺笾劣?。因此,，我們僅用兩個(gè)開關(guān)就能改變電流的流向（而在雙極電機(jī)中需要4個(gè)開關(guān)才能做到）,。表3所示為單極電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，每一步激勵(lì)時(shí)開關(guān)所處的位置,。
       
    雖然單極的驅(qū)動(dòng)器控制起來相對(duì)簡單,，但由于在電機(jī)中使用了中心抽頭，因此它比雙極電機(jī)更復(fù)雜,，而且其價(jià)格通常比雙極電機(jī)貴。此外,，由于電流只流經(jīng)一半的電機(jī)繞組,，所以單極電機(jī)只能產(chǎn)生一半的磁場。
       
    在知道了單極電機(jī)和雙極電機(jī)的構(gòu)造原理之后,，當(dāng)我們遇到一個(gè)沒有標(biāo)示抽頭也沒有數(shù)據(jù)手冊的電機(jī)時(shí),，我們就能自己推導(dǎo)出抽頭和繞組的關(guān)系。帶4個(gè)抽頭的電機(jī)就是一個(gè)雙相雙極電機(jī),，我們可以通過測量導(dǎo)線之間的阻抗來分辨哪兩個(gè)抽頭屬于同一個(gè)繞組,。帶6個(gè)抽頭的電機(jī)可能是一個(gè)雙相單極電機(jī)，也可能是一個(gè)三相雙極電機(jī),，具體情況可以通過測量導(dǎo)線之間的阻抗來確定,。

表1 雙相電機(jī)動(dòng)作過程中的繞組抽頭極性

電機(jī)控制
       
    本文前面討論的電機(jī)控制理論可以采用全硬件方案實(shí)現(xiàn)，也可以用微控制器或DSP實(shí)現(xiàn),。圖8說明了如何用晶體管作為開關(guān)來控制雙相單極電機(jī),。每個(gè)晶體管的基極都要通過一個(gè)電阻連接到微控制器的一個(gè)數(shù)字輸出上，阻值可以從1到10M歐姆,，用于限制流入晶體管基極的電流,。每個(gè)晶體管的發(fā)射極均接地，集電極連到電機(jī)繞組的4個(gè)抽頭,。電機(jī)的中心抽頭均連接到電源電壓的正端,。
       
    每個(gè)晶體管的集電極均通過一個(gè)二極管連接到電壓源，以保護(hù)晶體管不被旋轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)繞組上的感應(yīng)電流燒壞,。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),，電機(jī)繞組上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)感應(yīng)電壓，如果晶體管集電極沒有通過二極管連接到電壓源,，感應(yīng)電壓造成的電流就會(huì)涌入晶體管的集電極,。

表2：雙相電機(jī)動(dòng)作過程中開關(guān)的位置

       
    舉個(gè)例子，假設(shè)數(shù)字輸出do1為高而do2為低,，于是do1會(huì)使晶體管T1導(dǎo)通,，電流從+V流經(jīng)中心抽頭和T1的基極，然后由T1的發(fā)射極輸出,。但此時(shí)do2處于斷開狀態(tài),，因此電流無法流經(jīng)T2,。這樣推理下去，我們就能將表3改為驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的微控制器數(shù)字輸出的改變順序,。
       
    一旦清楚了驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的硬件和數(shù)字輸出的順序,，我們就可以對(duì)zui順手的微控制器或DSP編寫軟件，實(shí)現(xiàn)這些序列,。