1.脉冲分配控制

由步进电动机的工作原理知,要使步进电动机正常运转,必须按一定顺序对定子各相绕组励磁,以产生旋转磁场,即将指令脉冲按一定规律分配给步进电动机各相绕组。实现这一功能的器件称为分配器或环形分配器,可由硬件电路或软件程序来实现。

(1)硬件脉冲分配器

脉冲分配器按一定的顺序导通和截止使相应的绕组通电或断电。它由门电路、触发器等基本逻辑功能元件组成。目前市场上已有多种集成化的脉冲分配器芯片可供选用。国产YB系列集成脉冲分配器型号为YB013(三相)、YB014(四相)、YB015(五相)、YB016(六相)。其主要性能参数见表3-2,各管脚功能见表3-3,其中励磁方式控制端A0、A1的控制信号电平状态与励磁(通电)方式的对应关系见表3-4。

表3-2　集成脉冲分配器主要性能参数

表3-3　集成脉冲分配器各管脚功能

表3-4　励磁(通电)方式控制表

图3-11所示采用通用微机接口芯片8255和脉冲分配器YB014组成的步进电动机脉冲分配控制电路原理图。图中,A0接电源,A1接地,构成四相八拍控制;当8255的PA0口线输出高电平时,控制步进电动机正转,输出低电平时,控制步进电动机反转;8255的PA 1口线输出的脉冲数量决定步进电动机的转角,脉冲频率决定步进电动机的转速。

(2)软件脉冲分配器

软件脉冲分配器是实现脉冲分配控制的计算机程序。它不需额外电路,成本低,但占用计算机运行时间。

软件脉冲分配器控制的基本原理:根据步进电动机与计算机的接线情况及通电方式列出脉冲分配控制数据表;运行时按节拍序号查表获得相应的控制数据;在规定时刻通过输出口将数据输出到步进电动机驱动电路。下面通过实例介绍软件脉冲分配器的实现方法。

图3-12所示为采用单片机8031对数控X－Y 工作台的两台四相步进电动机进行控制的接口电路原理图。图中采用了负逻辑控制,即当8031的P1口某一口线输出低电平“0”时,对应的步进电动机绕组被接通。表3-5是按图3-11列出的四相八拍脉冲分配控制数据表。

图3-11　四相八拍脉冲分配控制原理图

图3-12　单片机与步进电动机接口电路

由表3-5可见,当8031的P1口输出数据EEH 时,X 向和Y 向两个步进电动机的A 相绕组都通电;当输出数据ECH 时,Y 向步进电动机的A 相通电,X 向步进电动机的A、B 两相通电;当按节拍序号顺序循环控制时,步进电动机正转;当按倒序循环控制时,步进电动机反转。

根据上述脉冲分配控制软件处理原则可得图3-13所示的程序框图。

表3-5　四相八拍脉冲分配控制数据表

2.速度控制

通过脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。速度控制也有硬件、软件两种方法。硬件方法是在硬件脉冲分配器的时钟输入端(CP)接一可变频率脉冲发生器,改变其振荡频率,即可改变步进电动机速度。下面主要介绍软件方法。

软件方法常采用定时器来确定每相邻两次分配的时间间隔,即脉冲分配周期,并通过中断服务程序向输出口分配控制数据。若利用8031单片机控制步进电动机,采用其CTC0(零号定时/计数器)作为定时器时,则速度控制程序为:

程序中前三条指令的作用是预置定时常数及启动定时器,可放在主程序中执行,也可作为子程序调用。定时器启动后,计算机可进行其他工作。当有定时中断申请时,CPU 响应中断,从标号为INTR0的中断服务程序入口开始进行中断服务。首先重装定时常数,为下一节拍做好准备,然后P1口输出55 H 中寄存脉冲分配控制数据。

图3-13　脉冲分配控制程序图

速度控制的关键是定时常数的确定。设数控X－Y 工作台的脉冲当量为δ(mm),要求的运动速度为v(mm/min),8031的晶振频率为fosc(Hz),采用CTC0的工作模式1(即16位定时器模式),则定时常数Tx(s)可按下式确定。

(www.daowen.com)

3.自动升降速控制

由于步进电动机转子的本身惯量较大,致使启动频率不高,尤其在步进电动机带了负载以后,启动频率将会大大下降。为使步进电动机能在较高的频率下可靠运行,可对其升降速度进行控制,使脉冲信号能按一定的规律升频和降频。图3-14所示为自动升降速电路的结构框图,其工作原理:设Pa为运算器送来的进给脉冲,其频率为fa,Pb为实际送入步进电动机分配器的工作脉冲,其频率为fb。

图3-14　自动升降速电路结构框图

Pa和Pb都经同步器送入可逆计数器。同步计数器的作用在于保证不丢失Pa和Pb,并使Pa送入可逆计数器时做加法,Pb送入可逆计数器做减法。可逆计数器中记下的是进给脉冲与工作脉冲之差,设此数为N ,送入数模转换装置,将N 的变化转换成电阻值R 的变化,然后通过R 的变化改变振荡频率。由于该电路为闭环系统。当输入量fa为阶跃值时,输出量fb却是缓慢变化的,从而达到自动升降速的目的。由上述分析可知,只有当可逆计数器内的存数N 不为零时,才有输出脉冲。在输入不变的进给脉冲fa后,工作脉冲fb则是一个变量,它从某一低频fb0升高到fa。而fa、fb都要送可逆计数器,为避免两者由于重叠或相隔很短造成的计数误差,使它们都通过同步器,保证其计数正确。

在进给开始时,fa＞fb,可变频振荡器的频率较低,所以反馈脉冲(即工作脉冲)数比进给脉冲数少,因而可逆计数器的寄存器数N 逐渐增加,振荡器的频率逐步提高,经过时间t后使fa＝fb,达到平衡,这就是升速过程。在fa＝fb时,可逆计数器的存数不变,因而振荡器的频率也稳定下来,这时反馈脉冲频率和进给脉冲频率相一致,这就是恒速过程。如果运算已达到终点,进给脉冲fa变为零,此时可逆计数器只有反馈脉冲。因此,可逆计数器中的存数逐渐减少,反馈脉冲的频率也逐步降低,直到可逆计数器中存数为零,即可逆计数器全为“0”,步进电动机才停止工作,这个过程就是降速过程。

由上分析可知,在整个升速、恒速和降速过程中,步进电动机所走的步数和指令的进给脉冲数相等,整个升降速过程可用图3-15表示。

步进电动机的自动升降速控制除了可以由电子电路实现外,也可以由计算机软件实现。当前,应用微型计算机控制步进电动机越来越广泛。应用微型计算机,特别是单片微机控制步进电机,设计简单,价格低,应用方便,系统可靠,灵活性大。升降速控制由软件实现是很自然的。

步进电动机升降速控制可以遵循不同的控制规律,图3-16绘出了常用的升降速规律。图3-16(a)绘出了线性升降速控制特性。这种控制是以恒定的加速度进行升、降速,实现容易,方法简单,但加速时间较长。图3-16(b)所示为指数曲线升降速控制,这种特性从步进电动机运行矩频特性推导出来,符合步进电动机加、减速的运动规律,能充分利用步进电动机的有效转矩,因而,快速响应好,缩短了升、降速时间。图3-16(c)绘出了抛物线升降速控制特性。这种方法充分利用步进电动机低速时的有效转矩,使升、降速时间大大缩短。

图3-15　自动升降速

图3-16　几种常用的升降速控制曲线

4.步进电动机的驱动

要使步进电动机输出足够的转矩,必须采用功率驱动器(功率放大电路)对控制信号进行放大以驱动负载工作。步进电动机的功率驱动电路种类很多,可以用晶体管驱动电源、高频晶闸晶闸管驱动电源、可关断晶闸管驱动电源和混合元件驱动电源等。驱动电源可以是单电压驱动、高低电压驱动、斩波型驱动等。下面介绍几种典型驱动电路。

(1)单电压驱动电路

如图3-17给出了单电压驱动电路,图中只给出步进电动机的一相驱动电路,其他各相驱动电路相同。图中,适当选择R1、R2、R3的阻值,使得当输入信号uA为低电平(0.3V)时,ub2＜0(约为－1V),这时功率管BG3截止。当输入信号为高电平(＞3.6V),ub2＞0(约为0.7V),功率管BG3饱和导通,步进电动机的A 相绕组中有电流。同样,B 相、C相等绕组,只要某相为逻辑高电平,相应的相便导通。

图3-17　单电压驱动电路

(2)高低电压驱动电路

为了改善步进电动机的频率响应,改善激磁电流的波形,一种方法是提高电流上升时间段的激磁电压,当电流上升到一定值后,再将激磁电压减为额定值。这就是高低电压驱动的原理,其电路如图3-18所示。当uA为高电平时,使BGg、BGd均导通,在高低压电源作用下(D1处于截止状态,使低压不对绕组作用),绕组电流迅速上升,电流前沿很陡,当电流达到或超过额定电流时,利用定时电路或电流检测等措施切断BGg的基极电压,于是BGg截止,但BGd仍是导通的,绕组电流立即转而由低电压电源经过二极管D1供给。绕组中的电流限制在额定激磁电流IWY值。当uA为低电平时,ubg、ubd均为低电平,BGg、BGd均截止,绕组中反电势经二极管D2和电阻Rf2向高压电源放电,绕组中电流迅速下降。

图3-18　高低电压驱动电路

采用高低压驱动电源,步进电动机绕组不需要串联电阻,电源功率损耗较小。图3-19给出了高低压驱动电源加在绕组上的电压、电流波形。在图3-19(b)中的t0期间绕组施以高电压,t0可以通过定时电路或绕组中的电流检测得到。

图3-19　高低压驱动时的电压和电流波形

(3)斩波型驱动电路

这种电路采用单一高压电源供电,以加快电流上升速度,并通过对绕组电流的检测,控制功放管的开和关,使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下,其波形如图3-20所示。图3-21是一个高低电压驱动的电流斩波控制电路。图中,电动机绕组回路中串接一个电流检测环节,当绕组电流上升到某一数值或下降到某一数值时,电流检测环节输出一信号,与分配器送来的uA脉冲进行综合,经过高电压电流放大器控制高压管BGg的导通与关断。低压管BGd直接与uA信号经电流放大器进行控制。

图3-20　斩波限流驱动电路波形图

图3-21　斩波型驱动电路