程控步进电动机驱动
装置的研制
宋小茜(上海电机技术研究所)
步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的数字执行元件，具有精度高、惯性小、可靠性强的特点，与其它类型的电动机比较，更适宜采用微处理器控制。因此在数字控制领域．如数控机床、机械手、绘图仪、雷达、火炮发射台等对转速变化、方向变化及定位有要求的场合获得广泛应用。
本文根据我所研制成功的生产盘式电机专用设备——盘卷式电机定、转子冲床中
所应用的步进补偿装置的研制，对采用zP一80单板机实现步进电动机的控制作一介绍。
l 盘卷式电机定转子冲床的步进补偿
盘卷式电机定、转子冲床运行过程基本原理如图1所示。图中1为规格化的硅钢带料,2为冲制槽型的冲头，3为盘卷着的定子或转子．d为冲制带料的起点，运行方向如图中箭头所示。
冲制过程：当冲头每冲落一下．带料运行走过L距离相应的转轴3转过妒角度．其对应弧长z应满足关系式
由于每冲制一周(360。)所形成的并不是一个标准的圆．而是以螺旋方式缠绕的近似圆．因此冲槽在一圆周内的分布不是周等分,而需要对每冲一下进行适度补偿；另外，随着缠绕圈数增加．相应的半径凡也增加．每冲制一步所走过的弧长即带料送进的长度亦相应改变。为了使其符合一定的函数规律．需作相应的补偿。这可通过编制软件．命令步进电机按软件指令来修正步长，或改变步进电机的运行方向．从而带动补偿执行机构．完成补偿过程。
2硬件和软件
本系统采用TP一801型单板机附加硬件，控制五相步进电动机。单板机具有可编程功能．在硬件上可省去环形分配电路．使结构更为简便，系统如图2所示。利用单板机上可编程并行接口P10，经光电偶合电路．给功率驱动器发出一定规律的环形分配脉冲．控制步进电动机接序步进。
PIO的A口有八位输入、输出口．其中PA0～PA4设定为输出控制．分别控制五相步进电动机的每一相．PA5、PA6、PA7设置为输入方式．分别定义为起动信号．停止信号、正／反转信号．由行程开关接通发生高电平有效。当单板机接受到PA5高电平信号向即响应中断,转向执行中断服务予程序即起动程序。
单板机光电偶合功率驱动步进电机在开始执行起动程序时单板机首先要判断步进电动机的转向．即采样PA7口．然后将计算好的步距数送粥寄存器，该步距数决定要补偿量的大小。
步进电动机的脉冲分配采用五相十拍方式,各相绕组导电次序为：A—AB—B一BC一C—CD—D一DE—E一EA．其真值表如附表所示。软件按真值表排列成表格．设定变址寄存器1Y作为表格指针．周而复始地移动指针，再利用OUT指令输出当前指针内容．直至步距数减至零．步进电动机即转动了相应的步距．软件流程图如图3所示。
步进电动机的运行速度是通过软件实现的．修改延时子程序的延迟时间常数．就可改变电机的运行速度。正反转状态既可通过软件设定．也可由外部行程无关按通与否来控制。软件中未安排加、减速运行程序．是因为每冲制一槽的补偿量即所要转过llj0角度不大的缘故,在有必要令快速回车．或其它应用场合,则可在软件中增加加速、减速运行程序,而不要作任何硬件上的改动。
3 功放驱动电路的改进
******的功放驱动电路如图4所示.
步进电动机为90BF002．其每相静态电流为7A,电压为80V．线固电阻为0．218Q,
线圈电感为4mH。
当晶体管T触发导通时，(见图1)．为满足静态电流7A,电阻R应为
对功放驱动电路来说．步进电动机是一感性负载,其绕组中电流不能突变．而是按如
下数学规律变化。
式中，Io——静态稳定电流
L——绕组电感
I——瞬时上升电流
则当t=3t时，由式(1)可得1=0．95I0，这时电流基本达到稳定，3t定义为稳定时
间。
将电机参数代式(2)，可得  可知．电流达到稳定的时间近似为1．05ms
由公式(2)可看出，若想提高步进电动机运行速度，就要减小电流稳定时间，即提高驱动电路功率电阻R值，但露值提高．为了维持绕组额定电流，又必需相应提高电源电压，这样势必要增加功率电阻的容量。当电阻为11．2Ω时．其上消耗的功率为PR=I2R=72×11．2=548．8W，可见，大量的电能转换为热能消耗掉了．热能还使周围环境温度升高．给系统稳定性带来影响．
改进后的功率驱动电路如图5所示．图中功放电阻R5取1.6Ω，取样电阻R6为0．143Ω．电源Ev为30V。
为晶体管T1基极输入信号由“1”跳变为“0"时,T1管截止．T3管与T4管饱和导通．电
机绕组通电．这时T4管由于饱和，其管压降为零,即T4管Vce≈0,流过绕组电流为 
经过3t=3×2=6ms时问后．基本达到15A.当电流达到7A时T2即导通。由于T2工作于放大区，其导通使T3的基极电位受到嵌制，T4管的工作点由饱和导通过渡到放大区，如图6所示，工作点从4点移到口点,T4管的管压降增大，绕组电流维持在7A．  即经过1．25ms后．绕组电流达到7A,与未改进电路的电流上升时问基本一致．
当T1管基极受正脉冲触发时．T1管导通,T3、T4管截止．从而切l折回路电流。改进后功率电阻实际消耗功率为
比原来下降了86,从而热损耗大的问题获得解决。
4结语
4.1采用单板机控制步进电动机的装置，不但使控制电路得到简化．而且可根据实际需要更改步进电动机环形分配状态，调节转速及输出力矩．任意改变电机运行方向。而这些都不需要硬件作任何变动，只要通过软件设计就可达到目的．因此,灵活性大大提高。单板机上的，P10口可同时控制2台五相步进电动机．稍加扩充．还可控制更多的电机．但对要求多台电机同时工作的情况．要降低单台电机的运行速度。
4．2改进后的功放驱动电路更适宜实现机电一体化，由于降低了工作电压，对元件耐压要
求相对降低，装置体积大大减小。
4．3由于功放电阻减小，热损下降了86。
4．4电源变压器容量由对单台步进电动机供电的T．2kw下降到0．5kw．
4．5装置总成本大大降低，初步预算．可降低40左右。
4．6步进电动机施以1 000Hz步序脉冲，无失步现象，用示波器观测每相电流波形(从化两端取样)，波形上、上沿陡峭，无明显失真。在500～1000Hz工作频率电压下．电流的平均上升时间在1ms左右。
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