步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制

導(dǎo)讀

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的離散值控制電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖就動(dòng)一步，所以又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。

表1 常用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

YL-236實(shí)訓(xùn)臺(tái)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模塊介紹

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器

1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

采用兩相永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步距角為1.8°，工作電流1.5A，電阻1.1Ω，電感2.2MH。

2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器

驅(qū)動(dòng)器為SJ-23M2，具有高頻斬波、恒流驅(qū)動(dòng)、抗干擾性高、5級(jí)步距角細(xì)分、輸出電流可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。供電電壓為24～40V。如圖1所示。

驅(qū)動(dòng)器可通過拔碼開關(guān)來調(diào)節(jié)細(xì)分?jǐn)?shù)和相電流。拔碼開關(guān)拔向上為0，拔向下為1。拔碼開關(guān)的1、2、3位用于調(diào)節(jié)步距角，拔碼開關(guān)設(shè)定的每一個(gè)值對應(yīng)著一個(gè)步距角（共有0.9°、0.45°、0.225°、0.1125°、0.0625°五種）。在允許的情況下，應(yīng)盡量選高的細(xì)分?jǐn)?shù)即小的步距角，以獲得更精、準(zhǔn)的定位。拔碼開關(guān)的4、5固定為1，6、7、8用于調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流。做實(shí)驗(yàn)時(shí)可設(shè)為最小的驅(qū)動(dòng)電流（1.7A），因?yàn)樨?fù)載較小。

圖1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的端子說明：

（1）CP：由單片機(jī)輸出步進(jìn)脈沖傳到CP，用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行位置和速度。每一個(gè)步進(jìn)脈沖使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。該驅(qū)動(dòng)器要求CP脈沖是負(fù)脈沖，即低電平有效，脈沖寬度（即低電平的持續(xù)時(shí)間）不小于5μs。

（2） DIR：方向控制。DIR取高電平或低電平，改變電平就改變了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。注意：改變DIR電平，需在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止后且在兩個(gè)CP脈沖之間進(jìn)行。

（3）FREE：脫機(jī)電平。若FREE=1或懸空則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)處于鎖定或運(yùn)行狀態(tài)；若FREE=0，則步進(jìn)電機(jī)處于脫機(jī)無力狀態(tài)（此時(shí)用手能夠轉(zhuǎn)軸）。

（4）A、ā、B、B為驅(qū)動(dòng)器輸出的用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的電壓信號(hào)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位移裝置與及保護(hù)裝置

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位移裝置與及保護(hù)裝置如圖2所示。

圖2 YL-236單片機(jī)實(shí)訓(xùn)臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模塊

1.位移機(jī)構(gòu)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上設(shè)有皮帶輪，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，拖動(dòng)傳送帶（皮帶）運(yùn)動(dòng)。有游標(biāo)固定在傳送帶上。另設(shè)有150mm的標(biāo)尺，所以電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，游標(biāo)會(huì)在標(biāo)尺上移動(dòng)。通過編程控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)尺的精確定位，這一特點(diǎn)可以模擬很多動(dòng)作機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。

2.左右限位、超程保護(hù)裝置

左右限位、超程保護(hù)裝置采用了槽式光耦傳感器（又稱光遮斷器），如圖3所示）。其工作原理是，當(dāng)沒有物體進(jìn)入槽內(nèi)，傳感器內(nèi)的紅外發(fā)光管發(fā)出的紅外光沒有被擋住，光敏晶體管飽和導(dǎo)通，傳感器輸出低電平；當(dāng)有物體進(jìn)入槽內(nèi)，傳感器內(nèi)的紅外發(fā)光管發(fā)出的紅外光被擋住，光敏晶體管截止，傳感器輸出高電平。

在位移機(jī)構(gòu)的左限位處設(shè)有兩個(gè)槽式光耦傳感器。一個(gè)用于通過編程的方式來限位（限制不能再向左移動(dòng)）；另一個(gè)用于超程保護(hù)（即限位失敗后，可通過硬件來進(jìn)行保護(hù)）。在右限位處也是這樣。

圖3 槽式光耦傳感器

（1）編程限位。在傳送帶上除固定有游標(biāo)外，還固定有一個(gè)遮光塊。從圖2可以看出，當(dāng)游標(biāo)向左移動(dòng)時(shí)，遮光片在向右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)游標(biāo)運(yùn)動(dòng)到標(biāo)尺0刻度時(shí)，遮光塊就已接近右限位保護(hù)裝置（即槽式光耦傳感器）了。當(dāng)遮光片再向右移動(dòng)進(jìn)入右限位光耦傳感器時(shí)，傳感器輸出高電平。編程時(shí)通過檢測該電平，終止步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖，就能使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止。左限位的方法也是這樣。限位光耦傳感器電路如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)模塊的左、右限位光耦傳感器（是一樣的）

（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模塊的超程保護(hù)。如果編程不當(dāng)導(dǎo)致限位失敗后，遮光片會(huì)繼續(xù)沿原來的方向移動(dòng)，會(huì)進(jìn)用于超程保護(hù)光耦傳感器，傳感器會(huì)輸出高電平，通過晶體管驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，切斷給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的+24V供電，從硬件上保證電動(dòng)機(jī)能立即停止，以實(shí)現(xiàn)超程保護(hù)，原理如圖5所示。

圖5 超程保護(hù)的原理圖

3.多圈電位器

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)多圈電位器也隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)給多圈電位器加上電壓時(shí)，多圈電位器的輸出端會(huì)輸出變化的電壓，該電壓與游標(biāo)移動(dòng)的距離有近似線性的關(guān)系。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制示例

步進(jìn)電機(jī)模塊游標(biāo)的歸零

1.思路

上電后游標(biāo)向左運(yùn)動(dòng)，遮光片向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)右限位檢測到遮擋物時(shí)（即RL為高電平時(shí)），游標(biāo)肯定已移動(dòng)到0刻度的左邊了。這時(shí)使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)短時(shí)停止，再給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)838個(gè)脈沖，改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，游標(biāo)向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)走完838步時(shí)，即可到達(dá)0刻度。

注意：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用不同的細(xì)分，步距角是不一樣的。該示例采用的細(xì)分是011，對應(yīng)的步距角為0.1125°，在此條件下試驗(yàn)，得出當(dāng)遮光片到達(dá)右限位后，游標(biāo)歸0需要的脈沖是838個(gè)。不同的設(shè)備該值有所差異，可酌情修正。

2.程序代碼示例

說明：這種用延時(shí)函數(shù)產(chǎn)生脈沖的方式，在綜合時(shí)項(xiàng)目里，步進(jìn)電機(jī)可能干擾其他功能。最好是用定時(shí)器來控制脈沖的產(chǎn)生，在下面的任務(wù)中就采用定時(shí)器來產(chǎn)生脈沖。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定位

1.任務(wù)書

利用YL-236實(shí)訓(xùn)臺(tái)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模塊，實(shí)現(xiàn)游標(biāo)從任意位置歸0并在0刻度停5s，再移動(dòng)到5cm處并停3s，再移動(dòng)到10cm處。

2.思路

首先要測量不同細(xì)分?jǐn)?shù)時(shí)游標(biāo)移動(dòng)1mm所需的脈沖。其方法如下。

我們可以在沒上電時(shí)（步進(jìn)電動(dòng)機(jī)處于脫機(jī)狀態(tài)），手動(dòng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸使游標(biāo)歸0，再編程，隨意地給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加1000個(gè)、2000個(gè)、5000個(gè)或10000個(gè)脈沖，觀察步進(jìn)電機(jī)會(huì)停止的位置（設(shè)為X毫米處）。再用X除以加的脈沖的個(gè)數(shù)，就可得每毫米所需的脈沖個(gè)數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)設(shè)置驅(qū)動(dòng)器采用最小步距角時(shí)每毫米所需的脈沖個(gè)數(shù)為137～138個(gè)。不同的設(shè)備有所差異，可自行修正。

3.程序示例

4.總結(jié)

驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵是掌握歸0和精確定位的方法。脈沖的個(gè)數(shù)須根據(jù)示例中的數(shù)據(jù)結(jié)合具體的設(shè)備進(jìn)行修正。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可結(jié)合按鍵、顯示、直流電機(jī)等進(jìn)行綜合應(yīng)用，可以做本文及后續(xù)的訓(xùn)練任務(wù)。