双步进电机同轴联接及驱动装置的设计

0 引言

　　步进电机被广泛应用于机器人、机械手、打印机及智能仪器仪表中。在某些使用过程中，单个步进电机不能满足执行机构所要求的转矩，且单片功率驱动器IC(集成电路)不能提供大转矩求的驱动功率。双步进电机同轴联接及驱动装置的创新技术成功地解决了上述问题。

　　1 步进电机及控制驱动原理

　　步进电机区别于其他控制电机，其特点是通过输入脉冲信号来进行控制，步进电机的驱动原理是通过它每相线圈中的电流的顺序切换来使电机作步进式旋转，每输入一个有规律的脉冲信号，步进电机就转动一个固定的角度，总转动角度由输入脉冲个数决定，步进电机的转速由脉冲信号频率决定。

　　本文中采用了北京微电机厂生产的SB-2P 型步进电机(额定电压:-24V； 额定电流:0.2A；额 定步距:3°；相数:3 相)。步进电机的线圈绕组原理如图1 所示。若以3 相3 拍方式工作，则通电 次序为：
 

　　这种3 相3 拍的通电次序在脉冲换接时,一相绕组断电后另一相绕组才开始通电,这样在电源换接 时步进电机容易出现失步或在平衡位置产生振荡,定位精度不高。为了改善度进电机的运行性能,驱 动方式采用3 相双3 拍或3 相6 拍方式。以3 相双3 拍方式工作的通电相序如表1 所示。

　　2 双步进电机同轴联接及驱动的构想

　　2.1 双端轴、单端轴的双步进电机同轴联接

　　双端轴即每个步进电机的两个端面都有电机轴，图2 为这种类型的双步进电机同轴联接的结构 示意图。将两个步进电机同轴联接后，可实现转矩的倍增。需要注意的是，要求必须采用同样型号、 同样参数的相同步进电机，且电机轴必须同轴心。
 

　　对于单端轴双步进电机的同轴联接，可参照图3 给出的结构示意图。
 

　　2.2 双步进电机同轴联接的驱动

　　步进电机与其他交流电机不同，仅仅接上电源是不能满足工作要求, 即使输入了脉冲信号，还 必须连接相应的驱动器才能工作。要同时驱动两个同轴联接的步进电机，通常单片功率驱动器IC（集 成电路）不能提供大转矩所要求的驱动功率，为此，采用了多片驱动器IC 层叠并联的技术。它是将 多片同厂家、同型号、同参数、同批生产的驱动器IC 芯片逐一层叠并联并按引脚号一一对应焊接而 实现，可在不增加硬件电路板面积的基础上使驱动功率多倍增加。

　　3 硬件软件设计实例

　　3.1 硬件设计

　　图4 为双步进电机同轴联接及驱动的硬件原理图。8051 的P1.0、P1.1、P1.2、口输出控制步进 电机的脉冲信号，分别对应连接到三片层叠并联的1413IC 的IN1、IN2、IN3，通过反相驱动，OUT1、 OUT2、OUT3 分别对应连接到1#、2#步进电机的 φ1、φ2、φ3，实现对双步进电机的驱动。
 

　　本例中步进电机的每相额定电流为0.2A，则两个步进电机的相额定电流为： 0.2A×2＝0.4A (1)

　　由相关资料查得MC1413 反相驱动器每级的最大电流为0.5A。

　　由于驱动器在使用时不能长时间 工作在最大驱动电流状态，故选同时驱动两个步进电机的相额定驱动电流为： 0.2A×2×2＝0.8A (2)

　　由上式(2)可知，一片MC1413 反相驱动器（每级的最大电流为0.5A＜0.8A）不能满足对双步进 电机同时驱动的要求，为了满足上述要求并留有较大余地，故采用三片1413IC 层叠并联。

　　MC1413 IC 中的二极管起到对步进电机线圈中的反电势的释放作用，以保护步进电机和驱动器IC 不受损坏。 R1--R3 为限流电阻，R4--R9 为上拉电阻。

　　3.2 软件设计

　　下述程序采用MCS-51 汇编语言程序实现对两个同轴联接步进电机(双端轴)的控制，程序启动后 步进电机旋转 256*3 拍(768 步)停止。程序如下：
 

　　由表1 可知，对于单端轴同轴联接双步进电机的控制，其软件控制程序不变，只需将其中一个 步进电机的B(φ2)、C(φ3) 相进行相互对调。

　　5 结束语

　　该项设计已获国家专利，并已成功的应用于步进电机遥控示教仪和单片机控制的仿真电梯中， 取得了很好的效果。该项技术也可推广到三个以上的多步进电机同轴联接及驱动中去。当一台最大 功率的步进电机仍不能满足所要求的转矩和驱动功率时，该项创新技术的优点更为突出。