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步進電機被廣泛應(yīng)用于機器人、機械手、打印機及智能儀器儀表中。在某些使用過程中，單個步進電機不能滿足執(zhí)行機構(gòu)所要求的轉(zhuǎn)矩，且單片功率驅(qū)動器IC(集成電路)不能提供大轉(zhuǎn)矩求的驅(qū)動功率。雙步進電機同軸聯(lián)接及驅(qū)動裝置的創(chuàng)新技術(shù)成功地解決了上述問題。 1 步進電機及控制驅(qū)動原理 步進電機區(qū)別于其他控制電機，其特點是通過輸入脈沖信號來進行控制，步進電機的驅(qū)動原理是通過它每相線圈中的電流的順序切換來使電機作步進式旋轉(zhuǎn)，每輸入一個有規(guī)律的脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個固定的角度，總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖個數(shù)決定，步進電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。 本文中采用了北京微電機廠生產(chǎn)的SB-2P 型步進電機(額定電壓:-24V； 額定電流:0.2A；額 定步距:3°；相數(shù):3 相)。步進電機的線圈繞組原理如圖1 所示。若以3 相3 拍方式工作，則通電 次序為： 這種3 相3 拍的通電次序在脈沖換接時,一相繞組斷電后另一相繞組才開始通電,這樣在電源換接 時步進電機容易出現(xiàn)失步或在平衡位置產(chǎn)生振蕩,定位精度不高。為了改善度進電機的運行性能,驅(qū) 動方式采用3 相雙3 拍或3 相6 拍方式。以3 相雙3 拍方式工作的通電相序如表1 所示。 2 雙步進電機同軸聯(lián)接及驅(qū)動的構(gòu)想 2.1 雙端軸、單端軸的雙步進電機同軸聯(lián)接 雙端軸即每個步進電機的兩個端面都有電機軸，圖2 為這種類型的雙步進電機同軸聯(lián)接的結(jié)構(gòu) 示意圖。將兩個步進電機同軸聯(lián)接后，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的倍增。需要注意的是，要求必須采用同樣型號、 同樣參數(shù)的相同步進電機，且電機軸必須同軸心。 對于單端軸雙步進電機的同軸聯(lián)接，可參照圖3 給出的結(jié)構(gòu)示意圖。 2.2 雙步進電機同軸聯(lián)接的驅(qū)動 步進電機與其他交流電機不同，僅僅接上電源是不能滿足工作要求, 即使輸入了脈沖信號，還 必須連接相應(yīng)的驅(qū)動器才能工作。要同時驅(qū)動兩個同軸聯(lián)接的步進電機，通常單片功率驅(qū)動器IC（集 成電路）不能提供大轉(zhuǎn)矩所要求的驅(qū)動功率，為此，采用了多片驅(qū)動器IC 層疊并聯(lián)的技術(shù)。它是將 多片同廠家、同型號、同參數(shù)、同批生產(chǎn)的驅(qū)動器IC 芯片逐一層疊并聯(lián)并按引腳號一一對應(yīng)焊接而 實現(xiàn)，可在不增加硬件電路板面積的基礎(chǔ)上使驅(qū)動功率多倍增加。 3 硬件軟件設(shè)計實例 3.1 硬件設(shè)計 圖4 為雙步進電機同軸聯(lián)接及驅(qū)動的硬件原理圖。8051 的P1.0、P1.1、P1.2、口輸出控制步進 電機的脈沖信號，分別對應(yīng)連接到三片層疊并聯(lián)的1413IC 的IN1、IN2、IN3，通過反相驅(qū)動，OUT1、 OUT2、OUT3 分別對應(yīng)連接到1#、2#步進電機的 φ1、φ2、φ3，實現(xiàn)對雙步進電機的驅(qū)動。 本例中步進電機的每相額定電流為0.2A，則兩個步進電機的相額定電流為： 0.2A×2＝0.4A (1) 由相關(guān)資料查得MC1413 反相驅(qū)動器每級的最大電流為0.5A。 由于驅(qū)動器在使用時不能長時間 工作在最大驅(qū)動電流狀態(tài)，故選同時驅(qū)動兩個步進電機的相額定驅(qū)動電流為： 0.2A×2×2＝0.8A (2) 由上式(2)可知，一片MC1413 反相驅(qū)動器（每級的最大電流為0.5A＜0.8A）不能滿足對雙步進 電機同時驅(qū)動的要求，為了滿足上述要求并留有較大余地，故采用三片1413IC 層疊并聯(lián)。 MC1413 IC 中的二極管起到對步進電機線圈中的反電勢的釋放作用，以保護步進電機和驅(qū)動器IC 不受損壞。 R1--R3 為限流電阻，R4--R9 為上拉電阻。 3.2 軟件設(shè)計 下述程序采用MCS-51 匯編語言程序?qū)崿F(xiàn)對兩個同軸聯(lián)接步進電機(雙端軸)的控制，程序啟動后 步進電機旋轉(zhuǎn) 256*3 拍(768 步)停止。程序如下： 由表1 可知，對于單端軸同軸聯(lián)接雙步進電機的控制，其軟件控制程序不變，只需將其中一個 步進電機的B(φ2)、C(φ3) 相進行相互對調(diào)。 5 結(jié)束語 該項設(shè)計已獲國家專利，并已成功的應(yīng)用于步進電機遙控示教儀和單片機控制的仿真電梯中， 取得了很好的效果。該項技術(shù)也可推廣到三個以上的多步進電機同軸聯(lián)接及驅(qū)動中去。當一臺最大 功率的步進電機仍不能滿足所要求的轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動功率時，該項創(chuàng)新技術(shù)的優(yōu)點更為突出。 |
