【正文】 ................................................ 16 IR2130 結(jié)構(gòu)及功能 .................................................................................. 16 IR2130 的逆變器電路結(jié)構(gòu) ...................................................................... 18 本章小結(jié) ......................................................................................................... 18 第 4 章 系統(tǒng)構(gòu)架與硬件電路的設計 ...................................................................... 20 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) ................................................................................................. 20 系統(tǒng)硬件電路設計 ......................................................................................... 21 單片機控制電路 ...................................................................................... 21 電機驅(qū)動電路 .......................................................................................... 21 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 .......................................................................................... 22 IV 開關(guān)電源電路 .......................................................................................... 22 顯示和鍵處理電路 .................................................................................. 23 本章小結(jié) ......................................................................................................... 24 第 5 章 系統(tǒng)軟件設計 .............................................................................................. 25 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu) ......................................................................................... 25 系統(tǒng)開發(fā)軟硬件環(huán)境 ..................................................................................... 25 步進電機控制主程序設計 ............................................................................. 26 步進電機細分驅(qū)動程序設計 ......................................................................... 27 步進電機顯示和鍵處理程序設計 ................................................................. 28 本章小結(jié) ......................................................................................................... 30 結(jié)論 ............................................................................................................................ 31 致謝 ............................................................................................................................ 32 參考文獻 .................................................................................................................... 33 附錄 A ........................................................................................................................ 34 附錄 B ........................................................................................................................ 42 附錄 C ........................................................................................................................ 48 1 第 1章 緒論 課題背景 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)，控制技術(shù)的快速發(fā)展和 EDA 技術(shù)的日益成熟，特別是高性能可編程邏輯器件的出現(xiàn)，使得步進電機驅(qū)動系統(tǒng)集成化設計成為可能，并伴隨著電動機本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)電機分類間的界面越來越模糊。 近代步進電機的驅(qū)動技術(shù)的主流是“電流型”，常規(guī)的控制技術(shù)僅對繞組的電流進行通斷控制，在轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定的條件下，增加相數(shù)才能提高電機的分辨率。運用電流波形控制技術(shù)可方便地實現(xiàn)步進電機細分驅(qū)動。步進電機的細分驅(qū)動技術(shù)，從 20 世紀 70 年代開始研究，逐步發(fā)展到 90 年代完全成熟。我國對細分驅(qū)動 技術(shù)的研究，起步時間與國外相差無幾。細分驅(qū)動技術(shù)的廣泛應用，使得電機的 步距角 不受 相數(shù) 的限制，為產(chǎn)品設計帶來方便。 目前在步進電機的驅(qū)動技術(shù)上，采用斬波恒流驅(qū)動、細分驅(qū)動以及最佳升降頻控制，大大提高步進電機運行快速性和運轉(zhuǎn)精度，使步進電機在中、小功率應用領域向高速且精密化的方向發(fā)展。在驅(qū)動電路中，目前較普遍采用的功率開關(guān)管是功率場效應管 (MOSFET)，與早先采用的大功率晶體管 (GTR)相比有很多優(yōu)點。性能更加優(yōu)越的絕緣柵極晶體管 (IGBT)也己應用于高速型及較大功率的步進電機驅(qū)動電路中。而把 IGBT 驅(qū)動電路 及保護電路都集成在一起的智能 IGBT 模塊，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定及運行可靠等優(yōu)點，目前己開始應用于中、小功率的步進電機的驅(qū)動。 步進電機作為數(shù)字式執(zhí)行元件，具有成本低、易控制、定位方便和步距誤差不長期累計等優(yōu)點，被廣泛應用在數(shù)控裝置、繪圖機、機械手、印刷和包裝設備等工業(yè)、軍事和醫(yī)療自動化領域中。但是步進電機在應用中存在一些制約性的因素，步進電機及其系統(tǒng)表現(xiàn)出諸如低速平穩(wěn)性差、高速快速響應能力差、效率低和能耗等。步進電機多應用于開環(huán)控制的場合，對轉(zhuǎn)子位置和角速度不做檢測，較容易在行過程中產(chǎn)生失步和振蕩。另外， 步進電機不能簡單地直接接到普通的交直流電源運轉(zhuǎn)，它需要專門的驅(qū)動控制器，步進電機和與之配套的驅(qū)動控制器密不可分，在 電 機本體選定的情況下，驅(qū)動控制器的好壞很大程度上影響著整個系統(tǒng)的運行性能。通過研制高性能的步進電機驅(qū)動控制器可以大大改善步進電機的運行性能，這對提高我國在這方面的科學技術(shù)水平起到了一定的促進作用，拓寬了步進電機的應用領域。因此，研究開發(fā)出高性能的步進電機驅(qū)動控制器不僅有著重大的現(xiàn)實意義，而且具有極大的經(jīng)濟價值。 步進電機概述 步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或直線運動的執(zhí)行機構(gòu)，由步進電機 及其功率驅(qū)動裝置構(gòu)成一個開環(huán)的定位運動系統(tǒng)。當步進驅(qū)動器接收到 2 一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 (即步距角 )。脈沖輸入越多，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度就越多 。輸入脈沖的頻率越高，電機的轉(zhuǎn)速就越快。因此可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的 。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機種類可分為常用三大類 :反應式 (VR，也稱磁阻式 )、永磁式 (PM)、混合式 (HB)。步進電機具有自身的特點，歸納起來有 ： 。 步進電機在輸入脈 沖信號時，可以依輸入的脈沖數(shù)量做固定角度的旋轉(zhuǎn)而得到靈活的角度控制 (位置控制 )。因為速度和輸入脈沖的頻率成正比，運轉(zhuǎn)速度可在相當寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。 。 因為步距誤差不長期累積，可以不需要速度傳感器以及位置傳感器，就能以輸入的脈沖數(shù)量和頻率構(gòu)成具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)。 。 。 永磁式、混合式步進電機在停止狀態(tài)下 (無脈沖信號輸入時 )，仍具有勵磁保持力矩，故即使不靠機械式的剎車，也能做到停止位置的保持。 。 步進電機在中低速時具有較大的轉(zhuǎn)矩 ，能夠較同級伺服電機提供更大的扭力輸出。 同時，步進電機也有自己的缺點 :從應用的角度來看，嚴重制約步進電機的兩個問題是失步和振蕩。由于步進電機在大多數(shù)情況下采用開環(huán)運行的方式，它的主要運行性能完全依賴于驅(qū)動器、負載和電機本身。有多種情況會產(chǎn)生失步，比如起動或停止頻率超過突跳頻率，電機高速運行的脈沖頻率超過了最大運行頻率，所帶負載轉(zhuǎn)矩超過了起動轉(zhuǎn)矩，共振等。通過改善驅(qū)動器的性能，可以減小運行中失步的可能。步進電機的低頻振蕩是另一個需要解決的問題。步進電機在極低頻率下做連續(xù)步進運行，即每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 過一個步距角。如果阻尼較小，這種運動是一個衰減的振蕩過程，轉(zhuǎn)子是按自由振蕩頻率振蕩幾次才衰減到新的平衡位置而停止下來。每來一個脈沖，轉(zhuǎn)子都從新的轉(zhuǎn)矩曲線的躍變中獲得一次能量的補充，這種能量越大，振蕩越厲害。當脈沖頻率等于或者接近于電機的自由振蕩頻率時電機會出現(xiàn)嚴重的低頻共振，甚至失步導致無法工作。一般不允許在共振頻率下運行，從驅(qū)動器的方面來看，使用細分驅(qū)動技術(shù)可以有效的克服低頻共振的危害。 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)概述 步進電機的工作必須使用專用設備 —— 步進電機驅(qū)動器。驅(qū)動器針對每一個步進脈沖，按一定的規(guī)律向電機各 相繞組通電 (勵磁 )，以產(chǎn)生必要的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。步進電機、驅(qū)動器和控制器構(gòu)成了不可分割的 3 大部分。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能除與電機自身的性能有關(guān)外，在很大程度上取決于驅(qū)動器性能的優(yōu)劣。當電機和負載己經(jīng)確定之后，整個驅(qū)動系統(tǒng)的性能就完全取決于驅(qū)動控制方法。步進電機驅(qū)動方式的發(fā)展先后有單電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波 3 恒流驅(qū)動、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動和細分驅(qū)動等。在這僅介紹細分驅(qū)動。 細分驅(qū)動它是將電機繞組中的電流細分，由常規(guī)的矩形波供電改為階梯波供電。這樣，繞組中的電流經(jīng)過若干個階梯上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降 。雖然細分驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)比較復雜，但在不改變電機內(nèi)部參數(shù)的情況下，使步距角減小到原來的幾分之一至幾十分之一，使步距角不再受電機結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制。由于繞組的電流變化幅度也大大減小，從而極大的改善步進電機運行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除振蕩。近幾年來，由于微處理機技術(shù)的發(fā)展，細分驅(qū)動技術(shù)在驅(qū)動器中獲得了廣泛應用。 國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢 目前在數(shù)控生產(chǎn)和經(jīng)濟型定位系統(tǒng)改造及機器人等定位系統(tǒng)的應用領域，有三分之二以上采用的是步進電機作為伺服控制系統(tǒng)的 .因此，如何改善電機的控制方法以提高定位系統(tǒng)的定位精 度，成為提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。目前，電機控制方法已經(jīng)由傳統(tǒng)的 PID 控制方法發(fā)展到性能更優(yōu)良、結(jié)構(gòu)更簡單的數(shù)字式 PID 控制方法，并取得了較好的效果，在一定程度上提高了系統(tǒng)的定位精度。 國內(nèi)外研究開發(fā)步進電機細分驅(qū)動器的科研單位、廠家很多。如：中國科學院自動化研究所開發(fā)的步進電機細分驅(qū)動器系列，其中針對三相反應式步進電機，細分數(shù)為 10；北京興大豪科技開發(fā)有限公司開發(fā)的用于電腦繡花機的步進細分驅(qū)動器；國外產(chǎn)品主要有美國 SHAPHON 公司生產(chǎn)的細分驅(qū)動器系列，其中 SH3F075M 反應式步進電機驅(qū)動器為 40 細分等 等。這些驅(qū)動器多數(shù)采用單片機為控制芯片，受單片機計算速度和計算精度的限制，當采用細分驅(qū)動時，細分數(shù)最大可以達到 256。 工業(yè)發(fā)達的國家都在大力發(fā)展精密定位技術(shù)，利用它