電機(jī)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?cè)鯓蛹?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。

圖4 同時(shí)激勵(lì)電機(jī)的兩個(gè)繞組

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。

電流在電機(jī)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。

圖5 可用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)每個(gè)繞組的H橋電路

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。

從表1中可以看出，要激勵(lì)該電機(jī)，第一步應(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。

表1 雙相電機(jī)動(dòng)作過程中的繞組抽頭極性

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。

表2 雙相電機(jī)動(dòng)作過程中開關(guān)的位置

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)。

步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器

前面我們已經(jīng)討論了步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)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。

圖6 單極電機(jī)的結(jié)構(gòu)

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(cè)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(cè)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7給出一個(gè)單極電機(jī)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。

圖7 單極電機(jī)的控制電路

雖然單極電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器控制起來相對(duì)簡(jiǎn)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(chǎng)。

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(cè)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(cè)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(cè)量導(dǎo)線之間的阻抗來確定。

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)，也可以用微型工控機(jī)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。

圖8

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。

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，我們就能清楚了解驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的硬件和數(shù)字輸出的順序。然后就可以對(duì)最順手的微控制器或DSP編寫軟件，實(shí)現(xiàn)這些序列。

結(jié) 語

除了本文重點(diǎn)討論的雙相電機(jī)以外，步進(jìn)電機(jī)還有其他類型，如直線絲桿步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)一體機(jī)。另外還有一些旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，它們只有一個(gè)中心抽頭，同時(shí)連接到兩個(gè)繞組的中心點(diǎn)，這類步進(jìn)電機(jī)外部有5個(gè)抽頭引出。

同樣，步進(jìn)電機(jī)也不是電機(jī)家族中的唯一成員，其他電機(jī)也有,直線絲桿電機(jī),步進(jìn)伺服，直流伺服電機(jī)等。早期的直流電機(jī)使用電刷，現(xiàn)在已經(jīng)不再流行。如今常見的無刷直流電機(jī)，就是利用電子線路代替電刷進(jìn)行換向的直流電機(jī)，這類電機(jī)中不存在電刷老化問題，因此其壽命比有刷直流電機(jī)長(zhǎng)很多。

還有一種感應(yīng)電機(jī)，其工作原理與步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)完全不同。直流電機(jī)采用的是直流電壓源，而感應(yīng)電機(jī)則采用交流(AC)電壓源，并且步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)中轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)是同步的，而感應(yīng)電機(jī)中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速滯后于定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速。