步進電動機的控制

導讀

步進電動機是將電脈沖激勵信號轉換成相應的角位移或線位移的離散值控制電動機，這種電動機每當輸入一個電脈沖就動一步，所以又稱脈沖電動機。

表1 常用的步進電動機

YL-236實訓臺的步進電動機模塊介紹

步進電動機及驅動器

1.步進電動機

采用兩相永磁感應式步進電動機，步距角為1.8°，工作電流1.5A，電阻1.1Ω，電感2.2MH。

2.步進電動機驅動器

驅動器為SJ-23M2，具有高頻斬波、恒流驅動、抗干擾性高、5級步距角細分、輸出電流可調的優點。供電電壓為24～40V。如圖1所示。

驅動器可通過拔碼開關來調節細分數和相電流。拔碼開關拔向上為0，拔向下為1。拔碼開關的1、2、3位用于調節步距角，拔碼開關設定的每一個值對應著一個步距角（共有0.9°、0.45°、0.225°、0.1125°、0.0625°五種）。在允許的情況下，應盡量選高的細分數即小的步距角，以獲得更精、準的定位。拔碼開關的4、5固定為1，6、7、8用于調節驅動電流。做實驗時可設為最小的驅動電流（1.7A），因為負載較小。

圖1 步進電動機驅動器

步進電動機驅動器的端子說明：

（1）CP：由單片機輸出步進脈沖傳到CP，用于驅動步進電動機的運行位置和速度。每一個步進脈沖使步進電動機轉動一個步距角。該驅動器要求CP脈沖是負脈沖，即低電平有效，脈沖寬度（即低電平的持續時間）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電動機的旋轉方向。注意：改變DIR電平，需在步進電動機停止后且在兩個CP脈沖之間進行。

（3）FREE：脫機電平。若FREE=1或懸空則步進電動機處于鎖定或運行狀態；若FREE=0，則步進電機處于脫機無力狀態（此時用手能夠轉軸）。

（4）A、ā、B、B為驅動器輸出的用于驅動步進電動機運行的電壓信號。

步進電動機位移裝置與及保護裝置

步進電動機位移裝置與及保護裝置如圖2所示。

圖2 YL-236單片機實訓臺步進電動機模塊

1.位移機構

步進電動機轉軸上設有皮帶輪，步進電動機轉動時，皮帶輪轉動，拖動傳送帶（皮帶）運動。有游標固定在傳送帶上。另設有150mm的標尺，所以電動機運行時，游標會在標尺上移動。通過編程控制步進電動機的運行，可以實現標尺的精確定位，這一特點可以模擬很多動作機構的運行。

2.左右限位、超程保護裝置

左右限位、超程保護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，當沒有物體進入槽內，傳感器內的紅外發光管發出的紅外光沒有被擋住，光敏晶體管飽和導通，傳感器輸出低電平；當有物體進入槽內，傳感器內的紅外發光管發出的紅外光被擋住，光敏晶體管截止，傳感器輸出高電平。

在位移機構的左限位處設有兩個槽式光耦傳感器。一個用于通過編程的方式來限位（限制不能再向左移動）；另一個用于超程保護（即限位失敗后，可通過硬件來進行保護）。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外，還固定有一個遮光塊。從圖2可以看出，當游標向左移動時，遮光片在向右運動。當游標運動到標尺0刻度時，遮光塊就已接近右限位保護裝置（即槽式光耦傳感器）了。當遮光片再向右移動進入右限位光耦傳感器時，傳感器輸出高電平。編程時通過檢測該電平，終止步進電動機的驅動脈沖，就能使步進電動機停止。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 步進電機模塊的左、右限位光耦傳感器（是一樣的）

（2）步進電動機模塊的超程保護。如果編程不當導致限位失敗后，遮光片會繼續沿原來的方向移動，會進用于超程保護光耦傳感器，傳感器會輸出高電平，通過晶體管驅動繼電器動作，切斷給步進電動機驅動器的+24V供電，從硬件上保證電動機能立即停止，以實現超程保護，原理如圖5所示。

圖5 超程保護的原理圖

3.多圈電位器

步進電動機轉動時，會帶動多圈電位器也隨著轉動。當給多圈電位器加上電壓時，多圈電位器的輸出端會輸出變化的電壓，該電壓與游標移動的距離有近似線性的關系。

步進電動機的控制示例

步進電機模塊游標的歸零

1.思路

上電后游標向左運動，遮光片向右運動，當右限位檢測到遮擋物時（即RL為高電平時），游標肯定已移動到0刻度的左邊了。這時使步進電動機短時停止，再給步進電動機838個脈沖，改變步進電動機的旋轉方向，游標向右運動，當步進電動機走完838步時，即可到達0刻度。

注意：步進電動機驅動器采用不同的細分，步距角是不一樣的。該示例采用的細分是011，對應的步距角為0.1125°，在此條件下試驗，得出當遮光片到達右限位后，游標歸0需要的脈沖是838個。不同的設備該值有所差異，可酌情修正。

2.程序代碼示例

說明：這種用延時函數產生脈沖的方式，在綜合時項目里，步進電機可能干擾其他功能。最好是用定時器來控制脈沖的產生，在下面的任務中就采用定時器來產生脈沖。

步進電動機的定位

1.任務書

利用YL-236實訓臺的步進電動機模塊，實現游標從任意位置歸0并在0刻度停5s，再移動到5cm處并停3s，再移動到10cm處。

2.思路

首先要測量不同細分數時游標移動1mm所需的脈沖。其方法如下。

我們可以在沒上電時（步進電動機處于脫機狀態），手動旋轉轉軸使游標歸0，再編程，隨意地給步進電動機加1000個、2000個、5000個或10000個脈沖，觀察步進電機會停止的位置（設為X毫米處）。再用X除以加的脈沖的個數，就可得每毫米所需的脈沖個數。經實驗得出，當設置驅動器采用最小步距角時每毫米所需的脈沖個數為137～138個。不同的設備有所差異，可自行修正。

3.程序示例

4.總結

驅動步進電動機的關鍵是掌握歸0和精確定位的方法。脈沖的個數須根據示例中的數據結合具體的設備進行修正。

步進電動機可結合按鍵、顯示、直流電機等進行綜合應用，可以做本文及后續的訓練任務。