【正文】 到比較大的驅(qū)動能力。[2] 采用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號，并用PLC中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號，這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器，降低硬件成本。但由于PLC的掃描周期一般為但由于PLC的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)的頻率只能達到幾百赫茲，因此，受到PLC工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制。控制版面輸入\輸出驅(qū)動電路步進電機負(fù)載圖12基于PLC控制步進電機系統(tǒng)圖 基于單片機控制手段 單片機在工業(yè)控制中以其高速、精準(zhǔn)、成本低廉的特性得到了廣大工程設(shè)計者的青睞，近幾年，以單片機作為控制核心的工業(yè)控制系統(tǒng)不斷被開發(fā)和應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域中，而以單片機作為核心的步進電機生產(chǎn)運行系統(tǒng)也成為了時下比較熱門的研究課題。[3]單片機系統(tǒng)驅(qū)動電路步進電機機械裝置外圍電路圖13 基于單片機控制步進電機系統(tǒng)圖采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動線路。由于單片機的強大功能，還可設(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配。 本方案有以下優(yōu)點單片機軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響。用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設(shè)定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性。 單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。 本課題的研究思路即為:采用單片機作為控制核心，實現(xiàn)對步進電機的控制。 國內(nèi)外發(fā)展情況 步進電機問世以后很快就確定了開環(huán)高分辨率數(shù)控定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，在工業(yè)上的應(yīng)用發(fā)展至今己有幾十年的歷史，還沒有找到更合適的替代產(chǎn)品，而且已經(jīng)成為除了交直流電機外的第三大類電機。在其發(fā)展歷程中，出現(xiàn)了多種類型步進電機，按照基本的構(gòu)造和工作原理可分為三大類型即磁阻式、永磁式和混合式。在日本和西方等發(fā)達國家早期都是研制和應(yīng)用磁阻式步進電機，但是由于固有的能量利用率低、振動和噪音大等缺點逐步被淘汰掉，目前在國外幾乎沒有了僅僅在某些場合例如在溫度很高的核反應(yīng)堆中或者需要電動機的不通電的情況下定位力矩為零的時候才使用。永磁式步進電機則由于轉(zhuǎn)子永磁體加工方面的限制步距角一般較大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動分辨率比較受限，但是由于采用了低成本的爪極式結(jié)構(gòu)使得其制造工藝簡單、價格較低，容易快速批量生產(chǎn)，因而廣泛應(yīng)用于對性能要求不高的場合?；旌鲜讲竭M電機則具備了反應(yīng)式步進電機和永磁式步進電機的優(yōu)點，成為工業(yè)自動化等性能要求較高應(yīng)用場合的主流，它剛開始和反應(yīng)式步進電機一同發(fā)展起來，后來逐步用于替代反應(yīng)式步進電機。在步進電機幾十年的發(fā)展過程中，按照相數(shù)、步距角以及機座等劃分，可以說出現(xiàn)過的步進電機的規(guī)格品種極其繁多，然而這種狀態(tài)不利于步進電機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，隨著時間的推移目前逐步形成了相應(yīng)的主流產(chǎn)品，在西方可以明顯看出最大量應(yīng)用的是定子8極轉(zhuǎn)子50齒的二相混合式步進電動機，其次是定子10極轉(zhuǎn)子50齒的五相混合式步進電動機。[4]在我國，步進電動機的研究始于1958年，當(dāng)時只有清華大學(xué)，華中理工大學(xué)等少數(shù)高等院校在從事這項工作。60年代受蘇聯(lián)的影響，主要以三相磁阻式步進電機為主。70年代我國研制快走絲數(shù)控線切割機、數(shù)控機床等數(shù)控設(shè)備的需求對步進電機的發(fā)展起了很大的促進作用。當(dāng)時受到蘇聯(lián)、日本等工業(yè)較發(fā)達國家的影響，國內(nèi)開始自行研制磁阻式步進電機的系列產(chǎn)品。70年代末形成了以定子6個極、轉(zhuǎn)子40齒的三相磁阻式電動機為主，另外還有定子10個極、轉(zhuǎn)子100齒的五相磁阻式電動機等共存的步進電機應(yīng)用局面。但是由于我國工業(yè)起步較晚且發(fā)展之初廣泛采用了磁阻式步進電機，產(chǎn)品更新?lián)Q代沒那么快，同時磁阻式步進電機雖然效率低、振動和噪音大但是由于堅固耐用、驅(qū)動控制技術(shù)成熟、價格較低，仍然很受國內(nèi)中小企業(yè)的歡迎，因此我國步進電機的生產(chǎn)與國外不同仍然以反應(yīng)式步進電機為主。 步進電機驅(qū)動方式分類及比較步進電機驅(qū)動方法的分類主要有恒電壓驅(qū)動方式（單電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動）、恒電流斬波驅(qū)動方式（自激式恒電斬波驅(qū)動、它激式恒電流斬波驅(qū)動）和細分驅(qū)動方式。以下是這幾種驅(qū)動方式的比較。 單電壓驅(qū)動圖14 單電壓驅(qū)動原理圖單電壓驅(qū)動是指在電機繞組工作過程中，只用一個方向電壓對繞組供電。如圖14所示，L為電機繞組，VCC為電源。當(dāng)輸入信號In為高電平時，提供足夠大的基極電流使三極管T處于飽和狀態(tài)，若忽略其飽和壓降，則電源電壓全部作用在電機繞組上。當(dāng)In為低電平時，三極管截止，繞組無電流通過。 為使通電時繞組電流迅速達到預(yù)設(shè)電流，串入電阻Rc；為防止關(guān)斷T時繞組電流變化率太大，而產(chǎn)生很大的反電勢將T擊穿，在繞組的兩端并聯(lián)一個二極管D和電阻Rd，為繞組電流提供一個泄放回路，也稱“續(xù)流回路”。單電壓功率驅(qū)動電路的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入電阻后，功耗加大，整個功率驅(qū)動電路的效率較低，僅適合于驅(qū)動小功率步進電機。 高低壓驅(qū)動為了使通電時繞組能迅速到達設(shè)定電流，關(guān)斷時繞組電流迅速衰減為零，同時又具有較高的效率，出現(xiàn)了高低壓驅(qū)動方式。圖15 高低壓驅(qū)動原理如圖15所示，Th、T1分別為高壓管和低壓管，Vh、V1分別為高低壓電源，Ih、I1分別為高低端的脈沖信號。在導(dǎo)通前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。高低壓驅(qū)動可獲得較好的高頻特性，但是由于高壓管的導(dǎo)通時間不變，在低頻時，繞組獲得了過多的能量，容易引起振蕩?？赏ㄟ^改變其高壓管導(dǎo)通時間來解決低頻振蕩問題，然而其控制電路較單電壓復(fù)雜，可靠性降低，一旦高壓管失控，將會因電流太大損壞電機。[7] 自激式恒電流斬波驅(qū)動D/A輸出預(yù)設(shè)值比較器D觸發(fā)器功率放大器步進電機電流檢測圖16自激式恒電流斬波驅(qū)動框圖把步進電機繞組電流值轉(zhuǎn)化為一定比例的電壓，與D/A轉(zhuǎn)換器輸出的預(yù)設(shè)值進行比較，控制功率管的開關(guān)，從而達到控制繞組相電流的目的。從理論上講，自激式恒電流斬波驅(qū)動可以將電機繞組的電流控制在某一恒定值。但由于斬波頻率是可變的，會使繞組激起很高的浪涌電壓，因而對控制電路產(chǎn)生很大的干擾，容易產(chǎn)生振蕩，可靠性大大降低。[8] 它激式恒電流斬波驅(qū)動為了解決自激式斬波頻率可變引起的浪涌電壓問題，可在D觸發(fā)器加一個固定頻率的時鐘。這樣基本上能解決振蕩問題，但仍然存在一些問題。比如：當(dāng)比較器輸出的導(dǎo)通脈沖剛好介于D觸發(fā)器的2個時鐘上升沿之間時，該控制信號將丟失，一般可通過加大D觸發(fā)器時鐘頻率解決。 細分驅(qū)動要了解步進電機驅(qū)動器的“細分”，先要弄清步進電機“步距角”這個概念：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，176。/176。（176。、176。），這個步距角可以稱之為‘電機固有步距角’，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)，參見下表（還以型86BYG250A電機為例）： 細分驅(qū)動步距角電機固有步距角所用驅(qū)動器類型及工作狀態(tài)電機運行時的真正步距角176。/176。驅(qū)動器工作在半步狀態(tài)176。176。/176。細分驅(qū)動器工作在5細分狀態(tài)176。176。/176。細分驅(qū)動器工作在10細分狀態(tài)176。176。/176。細分驅(qū)動器工作在20細分狀態(tài)176。 從上表可以看出：步進電機通過細分驅(qū)動器的驅(qū)動，其步距角變小了，如驅(qū)動器工作在10細分狀態(tài)時，其步距角只為‘電機固有步距角’的十分之一，也就是說：‘當(dāng)驅(qū)動器工作在不細分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，176。；而用細分驅(qū)動器工作在10細分狀態(tài)時，176。，這就是細分的基本概念’。[10]細分功能完全是由驅(qū)動器靠精確控制電機的相電流所產(chǎn)生的，與電機無關(guān)。驅(qū)動器細分后的主要優(yōu)點為：完全消除了電機的低頻振蕩低頻振蕩是步進電機（尤其是反應(yīng)式電機）的固有特性，而細分是消除它的唯一途徑，如果步進電機有時要在共振區(qū)工作（如走圓?。x擇細分驅(qū)動器是唯一的選擇。提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩尤其是對三相反應(yīng)式電機，其力矩比不細分時提高約3040% 。提高了電機的分辨率由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，‘提高電機的分辨率’是不言而喻的。以上這些優(yōu)點，尤其是在性能上的優(yōu)點，并不是一個量的變化，而是質(zhì)的飛躍。 研究的目的和意義本課題研究的目的是綜合運用所學(xué)的《單片機原理及其接口技術(shù)》理論知識，加強對所學(xué)知識的理解，鍛煉設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)能力，以單片機為核心設(shè)計一個簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全、適應(yīng)性強，操作方便、交互性強，可靠性高的步進電機控制系統(tǒng)。本課題研究的意義是了解單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成，學(xué)習(xí)單片工作原理及其內(nèi)部工作狀態(tài)，并熟悉不同時刻，單片機輸入輸出情況；了解步進電機的分類和用途，掌握步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理，并學(xué)習(xí)使用單片機簡單控制步進電機的正傳、反轉(zhuǎn)、加速、減速以及簡單了解國內(nèi)外步進電機的發(fā)展?fàn)顩r。 論文安排本論文首先簡單介紹了步進電機的應(yīng)用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進電機常見的控制系統(tǒng)方案和常見的驅(qū)動方案，在這個基礎(chǔ)上提出了自己的設(shè)計目的，即設(shè)計一套硬件系統(tǒng)較簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全，適應(yīng)性強，操作方便，交互性強，可靠性高，而且能在目前的職業(yè)教學(xué)中得到事半功倍的教學(xué)效果的步進電機控制系統(tǒng)。接著用較大的篇幅介紹了步進電機的特點、分類和工作原理，然后分別闡述了所要設(shè)計的系統(tǒng)的功能和操作、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計。具體安排如下:第一章為緒論，介紹了步進電機的應(yīng)用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進電機常見的控制系統(tǒng)方案和常見的驅(qū)動方案，了解各種方案的優(yōu)缺點，提出自己的思路和設(shè)計目的。第二章步進電機的概述，闡述步進電機的特點、分類和工作原理，為后面的硬件、軟件設(shè)計提供必須的理論基礎(chǔ)。第三章為步進電機控制系統(tǒng)概述，在框架結(jié)構(gòu)上對整個系統(tǒng)進行介紹，而且重點闡述基于單片機的控制系統(tǒng)的一般框架，為自己的設(shè)計提供有力的支持。接著介紹了本論文要設(shè)計的控制系統(tǒng)的功能特點，及要實現(xiàn)的操作方式。第四章為系統(tǒng)硬件設(shè)計，先提出框架，然后分別闡述單片機端口分配、外圍電路、驅(qū)動電路的設(shè)計。第五章為系統(tǒng)軟件設(shè)計.第2章 步進電機概述步進電機指的是以數(shù)字脈沖信號作為電機線或教位移的控制信號，并以數(shù)字脈沖頻率對電機的轉(zhuǎn)速進行控制的動力控制系統(tǒng)。 在負(fù)載正常范圍的情況下，步進電機的運行狀態(tài)只和數(shù)字脈沖發(fā)生器提供的信號的頻率和脈沖占空比有關(guān)，一般情況下，電機的狀態(tài)不受負(fù)載的影響。電機的運行角度只和每次所給予的脈沖信號強度有關(guān)，而電機的運行速度也只和脈沖信號的頻率有直接關(guān)系。這種采用弱點控制強電的控制方式使得步進電機在速度、位移等控制領(lǐng)域有著普通電機不能比擬的優(yōu)勢。[11] 步進電機的特點步進電機具有自身的特點，歸納起來有:可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)簡單廉價；位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應(yīng)，步距誤差不長期積累，無刷，電機本體部件少，可靠性高；易于啟動、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，響應(yīng)性也好；停止時，可有自鎖能力；步距角選擇范圍大，可在幾十角分至180O大范圍內(nèi)選擇。在小步距情況下，通常可以在超低速下高轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定運行，通常可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動負(fù)載；速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。同時用一臺控制器控制幾臺步進電機可使它們完全同步運行；步進電機帶慣性負(fù)載的能力較差；由于存在失步和共振，因此步進電機的加減速方法根據(jù)利用狀態(tài)的不同而復(fù)雜化；不能直接使用普通的交直流電源驅(qū)動。 步進電機的分類步進電動機的種類很多，從廣義上講，步進電機的類型分為機械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點電磁式步進電機可分為反應(yīng)式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大類。按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目浙江[業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進電機。 反應(yīng)式步進電機反應(yīng)式步進電機(簡稱VR)反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進電機有單段式和多段式兩種類型。 永磁式步進電機永磁式步進電機(簡稱PM)永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應(yīng)式)，但啟動運行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電。 混合式步進電機混合式步進電機(簡稱HB)混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅(qū)動用的交流同步機設(shè)計的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機也能做步進增量運動。由于能夠開環(huán)運行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。由于本設(shè)計的設(shè)計目的更注重整個系統(tǒng)的有機