步进电机原理及简易驱动电路的制作
步进电机原理及简易驱动电路的制作
步进电机是机电一体化的关键部件之一,是一种高精度的执行元件,它能将脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲,步进电机就转过一个角度,因此控制精度高,广泛地应用于各种自动化控制系统和机器人领域中,目前步进电机的控制器主要是通过单片机及专用集成芯片构成的,这样成本高、结构复杂、开发周期长。广大的电子爱好者,尤其是一些初学者很难具备相应的条件,为此笔者设计并制作了一款成本低廉、性能稳定、控制简单、制作方便的步进电机控制器,供大家参考。
目前比较常用的步进电机主要有反应式(VR)、永磁式(PM)、混合式(HB)三种类型,这几种电机虽然在组成结构上有所差别,但总体的工作原理还是类似的,下面就以比较典型的反应式步进电机为例简述其工作原理:
一、步进电机工作原理
1.步进电机的结构组成
步进电机可以分成转子和定子两部分。以图
太长,有条件的话,电烙铁最好外壳接地,焊音乐片时可先将音乐片的第一个脚进行上锡,注意不要太多,否则无法插入线路板上的小槽,音乐片与线路板焊接线,线路板上应全部上过锡,当插入音乐片后,先将第一只脚与线路板进行焊接,让其定位,然后再将最后一只脚焊上,等焊锡冷后,音乐片便牢牢地装在线路板上了,这时再去焊另外的引脚就会方便许多。
制作完成的接收线路板与电源及喇叭的接线如图6所示。
到清晰的开关声。
2.如有频率计或频谱仪等仪器,可在装入发射器电池后按动遥控器检测是否有高频无线电波发射,如没有这些仪器,也可用收音机或接上电脑音响,当按动遥控器时,可听到“吱、吱”声,这就表明发射部分工作正常,一般只要元件安装正确,元件焊接时线路板上无搭锡或虚焊,都能一次成功。
3.接收器的调试:全部元件安装完成后,将线路板装入塑料外壳内,电源引线连接时一定要注意极性不要装反。
4.装上二节5号电池,短接一下VT4发射极和集电极,正常时可以听到音乐声,若发现不会响,应仔细检查喇叭线是否焊牢,音乐片的引脚是否有虚焊等。
5.以上几项都正常后,便可以进行发射与接收的联调,将发射器放在接收器边上,按动遥控器,若有声音了,再将两者的距离加大,再按,若没有
图6
反应了,用无感螺丝刀调节接收器上的可调电感,直到按下遥控器接收器会响,继续加大距离,用上述方法反复调试,当距离在20米以上都可以可靠进行遥控时,说明遥控门铃的调试工作完成,这样一款即有趣又实用的无线音乐门铃便制作完成。
(产品详见广告页)
三、系统调试
1.发射器的调试:所有元件安装好后,将电路板装入遥控器盒子内,注意检查微动开关是否可听
13
1所示的三相步进电机为例,其定子上有6个磁极,每2个相对的磁极(如:A-A’)组成一对,共有3对。每对磁极上都绕有线圈,也即形成一吸转动并与C相对齐,此时转子又顺时针转过1/3て,齿4与A’相差为1/3て。
A相再次通电(图5),齿4与A’对齐,转子图1 步进电机结构简图
二、步进电机驱动控制原理
2.步进工作过程分析
步进电机的工作原理与电磁铁类似。
A相通电,B、C相不通电时(图2),由于磁场力的作用,齿1与A对齐。
B相通电,A、C相不通电时(图3),B齿将产生磁场,吸引较近的转子小齿2,从而产生转动力矩,齿2将与B对齐,此时转子顺时针转过1/3て,此时齿3与C相差1/3て,齿4与A’相差2/3て。
C相通电,A、B相不通电时(图4),齿3被
步进电机的驱动和控制方法与直流电机不同,直流电机只需通入直流电源即可运转,调节电压大小可以改变电机转速。而步进电机接收的是数字量,转速的大小由外加的脉冲频率决定,电压的大小与转速的快慢无关,只与电机的输出力矩有关。
步进电机的驱动控制器主要由脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路,功率放大电路等部分组成,其结构如图6所示。
2010 VOL.05
脉冲信
信号分配
功率放大
步进电机
多谐振荡器产生,选择开关S1和不同振荡电容C1/C2相连,可得到不同频段的脉冲信号,通过电位器RP可使其3脚输出的信号频率连续可调,该脉冲信号加到十进制计数器CD4017的时钟输入CP端,作为步进电机工作的时钟。
图6 步进电机驱动器组成
驱动控制器
号
电机的工作步序由CD4017的计数输出端提供。由于目前市面上步进电机的种类较多,本电路仅以较常用的“三相双三拍”控制(具体步序见下表1)为例进行分析,其他的控制方式读者们可以参照本例自行分析。由于“三拍”完成一个循环需有三个步序,故由十进制计数器CD4017构成一个3进制的封闭小循环,分别由Q0、Q1、Q2输出所需的步序1、2、3的信号,而将Q3直接接到CD4017的复位端R,从而构成了一个完整的环形分配电路。“双”是在每一步序中电机要有2相同时得电,经对表1中不同步序的真值表分析可知,“A” 相的值应在步序1和3均为有效,此时可将Q0与Q2的输出信号经或门(74HC32)送至A相的控制端;Q0与Q1相或后送至B相;Q1与Q2相或后送至C相,这样就可以得到我们所需要的三相双三拍步序控制信号。
表1 三相双三拍工作方式A相步序1(Q0)√步序2(Q1)步序3(Q2)√
B相√√
C相√√
脉冲信号电路的主要功能是产生一定频率的控制脉冲信号,用以控制步进电机的运行,其频率直接决定了步进电机的旋转速度。
信号分配电路是整个控制器的核心部分,由于其提供的信号总是周期循环的,所以也称为“环形脉冲分配电路”,它会根据不同步进电机的控制需求,将脉冲信号按一定的逻辑关系加到功率放大器上从而驱动步进电机的工作。例如上文所述的三相步进电机,其通电相序为“A→B→C→A→…”,这种按A、B、C各相顺次接通的过程是一种整步工作方式,也称“三相单三拍”,其中“单”是指每步只有一相通电,“三拍”是指一个循环需换相3次。尽管这时电机也可工作,但不够稳定,易产生失步现象。通常我们更多地是采用“AB→BC→CA→AB”方式循环通电,此时每步有二相同时接通,也称“三相双三拍”,这样步进电机工作会更加平稳。
当然还有其他的信号分配方式,如在二相间插入一个中间相,按“A→AB→B→BC→C→CA→A”的相序运行,即“三相六拍”,此时完成一个循环需6步,每次转过的角度只是三拍时的一半,也就实现了“二细分”。当然我们也可以通过各相绕组电流不同大小的组合,实现更多步的细分,这就是步进电机的细分驱动,细分的步数越多,步进电机的转动也会越平稳。对于其他类型的步进电机,如四相电机的单四拍、双四拍、八拍等,读者也可以自己进行分析。
由于经数字门电路输出的步序信号还无法直接驱动电机工作,故还需增加一级功率放大做为整个控制电路的输出。由于通常电子小制作中使用的步进电机功率较小,故本电路选用的是达林顿电流驱动器ULN2803模块作为控制器的功率输出电路,ULN2803的引脚如图8所示,其中:1-8脚为输入端;11-18脚为输出端;9脚接地;10脚接电源“+”。由于ULN2803的扇出电流有限,而灌电流较大,能达到1A左右,所以本电路使用其灌电流工作方式,ULN2803内部的续流二极管也保证了其与电机线圈连接的安全。如果需要输出的电流能再大一些,也可以将ULN2803的二组并联,作为一组使用即可。
电路中使用了二组电源进行供电,一组经三端稳压集成块LM7805稳压后,输出+5V为控制
三、电路工作原理
电路原理图如图7所示,电路主要由脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路及功率放大电路等几部分组成。
在本电路中的脉冲信号由NE555构成的一个
15
制作天地
HANDS ON PROJECTS
RP
51K
100K
C1
1
NE555
8
+12~24V
7805
C2S1
104
1
100
ULN2803
18
100
4.7uF
1Q5
Q1Q0Q2Q6Q7Q38Vss
Vcc
TRSTCPINHCOQ9Q4
9Q8
100S2
9
部分提供电源;而步进电机各相绕组所需的电压较高,故将其直接接到另一组12~24V的电源上,这样可增大步进电机的输出力矩,绕组的另一端接在ULN2803的相应输出端。
15
13
18
17
16
12
11
14
10
CD4017
74HC32
10
GND
图7 电路原理图
完成。
去掉调试的发光二极管和限流电阻,将步进电机的绕组线圈接入电路中,通电即可运转。读者可根据实际的控制需要选择C1、C2的参数(通常约为零点零几~几个μF之间),使S1与C1相连时,电机转速约在100转/分以下;与C2相连时,电机转速在100~几百转/分之间。调节电位器RP电机在各挡位转速应能平滑变化。拨动选择开关S2,可以交换二组的相序,使电机反方向旋转。
对于其它类型的步进电机控制器,读者只要改变CD4017输出的步序信号即可,通常简单的控制,CD4017输出的10个步序足以满足。读者如需控制较大功率的步进电机时,可改用其他大功率器件做驱动;读者对电机转速有特殊需要者,可根据需要改变NE555输出脉冲振荡信号的频率。
当然本电路的设计仅可以满足简单控制的要求,只是一种“入门”级的控制电路,目的主要是抛砖引玉,以供广大的电子爱好者参考。本电路还无法实现多级细分的要求,此时只能用单片机才能完成。
4
8
2
3
5
6
1
图8 ULN2803结构简图
四、控制器的制作与调试
该步进电机控制器的元器件均无特殊要求,按电原理图装好电路即可调试。为防止调试过程中电机堵转,电流增大损坏功率模块ULN2803,可将三只发光二极管串连好限流电阻接入ULN2803的相应输出端,接通电源后发光二极管应能顺序点亮;拨动挡位选择开关S1,发光二极管点亮的频率应有明显的变化,调节电位器RP发光二极管点亮的频率应能平滑的变化,至此步进电机驱动控制器安装
2010 VOL.05
7
9