雙步進(jìn)電機(jī)同軸聯(lián)接及驅(qū)動裝置的設(shè)計(jì)

0 引言

　　步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、機(jī)械手、打印機(jī)及智能儀器儀表中。在某些使用過程中，單個步進(jìn)電機(jī)不能滿足執(zhí)行機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)及控制驅(qū)動原理

　　步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)，其特點(diǎn)是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制，步進(jìn)電機(jī)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(jī)作步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)，每輸入一個有規(guī)律的脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。

　　本文中采用了北京微電機(jī)廠生產(chǎn)的SB-2P 型步進(jìn)電機(jī)(額定電壓:-24V； 額定電流:0.2A；額 定步距:3°；相數(shù):3 相)。步進(jìn)電機(jī)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?yàn)椋?br />  

　　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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的運(yùn)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)同軸聯(lián)接

　　雙端軸即每個步進(jìn)電機(jī)的兩個端面都有電機(jī)軸，圖2 為這種類型的雙步進(jìn)電機(jī)同軸聯(lián)接的結(jié)構(gòu) 示意圖。將兩個步進(jìn)電機(jī)同軸聯(lián)接后，可實(shí)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(jìn)電機(jī)，且電機(jī)軸必須同軸心。
 

　　對于單端軸雙步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)同軸聯(lián)接的驅(qū)動

　　步進(jìn)電機(jī)與其他交流電機(jī)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(jìn)電機(jī)，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(shí)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(jì)實(shí)例

　　3.1 硬件設(shè)計(jì)

　　圖4 為雙步進(jìn)電機(jī)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(jìn) 電機(jī)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(jìn)電機(jī)的 φ1、φ2、φ3，實(shí)現(xiàn)對雙步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。
 

　　本例中步進(jìn)電機(jī)的每相額定電流為0.2A，則兩個步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn) 電機(jī)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(jìn)電機(jī)線圈中的反電勢的釋放作用，以保護(hù)步進(jìn)電機(jī)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(jì)

　　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(jìn)電機(jī)(雙端軸)的控制，程序啟動后 步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的控制，其軟件控制程序不變，只需將其中一個 步進(jìn)電機(jī)的B(φ2)、C(φ3) 相進(jìn)行相互對調(diào)。

　　5 結(jié)束語

　　該項(xiàng)設(shè)計(jì)已獲國家專利，并已成功的應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)遙控示教儀和單片機(jī)控制的仿真電梯中， 取得了很好的效果。該項(xiàng)技術(shù)也可推廣到三個以上的多步進(jìn)電機(jī)同軸聯(lián)接及驅(qū)動中去。當(dāng)一臺最大 功率的步進(jìn)電機(jī)仍不能滿足所要求的轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動功率時，該項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)更為突出。