【正文】 控制簡單，并且步進電機能直接接收數(shù)字量的控制，非常適合采用微機進行控制。步進電機工作時，失步或者過沖都會直接影響其控制精度。研究步進電機的加哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 2 減速控制，可以提高步進電機的響應(yīng)速度、平穩(wěn)性和定位精度等性能，從而決定了步進電機控制系統(tǒng)的綜合性能。 課題的主要研究內(nèi)容 步進電機的工作原理 通過查閱文獻對步進電機的單拍運行、雙拍運行、單雙 拍運行等各種運行方式進行研究，深入了解各種運行方式的特點和對步進電機控制性能的影響。 環(huán)形脈沖分配器的設(shè)計 研究環(huán)形脈沖分配器的作用和構(gòu)成，并設(shè)計出可靠、靈活的環(huán)形脈沖分配器電路。 步進電機的續(xù)流電路 根據(jù)步進電機的控制特點，分析續(xù)流電路對步進電機控制性能的影響，并設(shè)計步進電機的續(xù)流電路。 步進電機控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計 根據(jù)步進電機的原理和控制特點，對步進電機控制系統(tǒng)的軟硬件進行分析和設(shè)計。 程序的調(diào)試及修改 用 Keil 軟件進行編程和調(diào)試，并且在 Proteus 環(huán)境下進行系統(tǒng)仿真。 本章小結(jié) 本章首先介紹了課題研究的背景，提出設(shè)計的思路。其次介紹了課題研究的目的和意義，最后介紹了課題的主要研究內(nèi)容。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 3 第二章 步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計 步進電機的原理 反應(yīng)式步進電機的工作原理是與反應(yīng)式同步電機一樣，也是利用轉(zhuǎn)子橫軸磁阻與直軸磁阻之差所引起的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動，如圖 所示是一臺反應(yīng)式步進電機的工作原理，定子鐵心為凸極式，共有三相，六個磁極，不帶小齒，磁極上裝有控制繞組，相對的兩個磁極串聯(lián)連接，組成一相控制繞組。轉(zhuǎn)子用軟磁材料制成，也是凸極結(jié)構(gòu)，只有兩個齒，齒寬等于 定子的極靴寬 【 2】 。 三相單三拍通電方式 這是步進電機的一種最簡單的工作方式，所謂“三相”，即三相步進電機，具有三相定子繞組；“單”指每次只有一相繞組通電；“三拍”指三次換接為一個循環(huán)，第四次換接重復(fù)第一次情況。 當(dāng) A 相繞組通電如圖 (a) 所示，而 B 相和 C 相不通電時， A 相的兩個磁極被勵磁，一個呈 N 極另一個呈 S 極，由于磁場對轉(zhuǎn)子鐵心的電磁吸力，使轉(zhuǎn)子軸線對準 A 相磁極的軸線。這種現(xiàn)象也可以這樣來理解， A 相通電時，轉(zhuǎn)子對定子的相對位置不同，則磁路的磁阻也不同，使 A 相磁路的磁阻為最少的轉(zhuǎn)子 位置，就是該時的穩(wěn)定平衡位置，即轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在轉(zhuǎn)子軸線和 A 相磁極軸線相重合的位置。同樣道理，當(dāng) A 相斷開，接通 B 相時，如圖 (b) 所示， B相磁極對轉(zhuǎn)子的電磁力將使轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過 60176。，達到轉(zhuǎn)子軸線和 B 相磁極軸線相重合的位置，即轉(zhuǎn)子走過一步，然后 B 相電源斷開，同時接通 C 相如哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 4 圖 (c) 所示，同理將使轉(zhuǎn)子按順時針方向再走一步。如此按 ABCA 的順序使三相繞組輪流通電，則轉(zhuǎn)子依順時針方向一步一步地轉(zhuǎn)動。如果改變?nèi)嗬@組的通電順序為 ACBA 顯然步進電機將按逆時針方向轉(zhuǎn)動。上述三相三拍運行，表示三種 通電狀態(tài)為一個循環(huán)，即三次通電狀態(tài)改變后，又恢復(fù)到起始狀態(tài)，一拍對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，通常用θ s 表示，圖 中轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的步距角為 60176。 （ a） A 相通電 （ b） B 相通電 （ c） C 相通電 圖 三相反應(yīng)式步進電機原理 如果將上圖的反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子制成四極（或稱為四個齒）結(jié)構(gòu)，如圖 所示，則按三相單三拍運行時，轉(zhuǎn)子的步距角也將發(fā)生變化。當(dāng) A 相通電時如圖 (a)所示，轉(zhuǎn)子齒 3 對準 A 相磁極軸線重合，當(dāng) B 相通電時如圖 (b)所示，轉(zhuǎn)子將逆時針轉(zhuǎn)過 30176。，穩(wěn)定在轉(zhuǎn)子齒 4 對準 B 相磁極軸線的位置，當(dāng) C 相通電時如圖 (c)所示，轉(zhuǎn)子又將逆時針方向轉(zhuǎn)動 30176。，轉(zhuǎn)子齒 3 對準 C 相磁極軸線的位置，由此可見，每通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為 30176。即每步轉(zhuǎn)過的步距角為 30176。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 5 (a) A 相通電 (b) B 相通電 (c) C 相通電 圖 轉(zhuǎn)子為四極的三相步進電機 三相雙三拍通電方式 如 果 將 步 進 電 機 的 控 制 繞 組 的 通 電 方 式 改 為 ： ABBCCAAB 或ACCBBCCA。這種通電方式每拍同時有兩相繞組通電，三拍為一循環(huán)，如圖 所示，轉(zhuǎn)子為四極的反應(yīng)式步進電機。圖 (a) 為 AB 相同時通電的情況，圖 (b) 為 BC 相通電的情況，可見轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的角度為 30176。與單三拍運行方式相同，但其中有一點不同，即在雙三拍運行時，每拍使步進電機從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)時，總有一相繞組保持通電。例如由 AB 相通電變?yōu)?BC 相通電時， B 相保持繼續(xù)通電狀態(tài)， C 相磁極力圖使轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動，而 B 相磁極卻起阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以步 進電機工作比較平穩(wěn)，三相單三拍運行時，由于沒有這種阻尼用，所以轉(zhuǎn)子到達新的平衡位置后會產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性能遠不如雙三拍運行方式。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 6 (a) AB 相通電 (b) BC 相通電 圖 三相雙三拍運行方式 三相六拍通電方式 這是一種將一相通電和兩相通電結(jié)合起來的運行方式，其具體通電方式為： AABBBCCCAA 或 A–ACCBBBAA，即一相通電和兩相通電間隔輪流進行，六種不同的通電狀態(tài)組成一個循環(huán)，這時步進電機的工作情況 如圖 所示，圖 (a)為 A 相通電時的情況，轉(zhuǎn)子齒 3 磁軸與 A 相磁極軸線重合，當(dāng)通電狀態(tài)由 A 轉(zhuǎn)為 AB 時，步進電機的狀態(tài)如圖 (b) 所示，轉(zhuǎn)子齒 3磁極離開 A 相磁極軸線，即轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過 15176。通電方式由 AB 轉(zhuǎn)為 B 時，步進電機的狀態(tài)如圖 (c) 所示，轉(zhuǎn)子齒 4 磁極軸線和 B 相磁極軸線相重合，或轉(zhuǎn)子齒 3 磁極軸線離開 A 相磁極軸線 30176。角，即轉(zhuǎn)子又逆時針方向運行了一步，相應(yīng)的角度為 15176。如此類推，可見步進電機每走一步，將轉(zhuǎn)過15176。，恰好為三相單拍或雙三拍通電方式的一半。 六拍運行方式與雙 三拍相同，由一個通電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪煌姞顟B(tài)時，也總有一相繼續(xù)保持通電，同樣具有電磁阻尼作用，工作也比較平穩(wěn)。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 7 (a) A 相通電 (b) AB 相通電 (c) B 相通電 (d) BC 相通電 圖 三相六拍通電方式 通過分析可知一臺步進電機可以有不同的通電方式，即可以有不同的拍數(shù)。拍數(shù)不同時，其對應(yīng)的步距角大小也不同，拍數(shù)多則步距角小。通電相數(shù)不同也會帶來不同的工作性 能。此外，也可以看到同一種通電方式，對于轉(zhuǎn)子磁極數(shù)不同的步進電機，也會有不同的步距角。步距角θ s 可由式 (11)求得 【 3】 θ s=360176。 /mKZR (11) 式中 m — 控制繞組相數(shù)； 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 8 ZR — 轉(zhuǎn)子齒數(shù)； K — 與通電方式有關(guān)的狀態(tài)系數(shù)，當(dāng)通電方式為單拍，即拍數(shù)與相數(shù)相同，K=1；為雙拍時，即拍數(shù)為相數(shù)的兩倍時， K=2。 環(huán)形脈沖分配器 要使步進電機正常工作，必須按照該種步進電機的勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表所規(guī)定的狀態(tài)和次序依次對各相繞組進行通電和斷電控制。環(huán)形分配器的主要 功能是把單片機發(fā)出的脈沖信號按一定的規(guī)律分配給步進電機的驅(qū)動電路，控制繞組的導(dǎo)通和截止。同時步進電機有正反轉(zhuǎn)的要求，所以環(huán)形脈沖分配器的輸出既有周期性又有可逆性?？梢哉f環(huán)形脈沖分配器是一種特殊的可逆循環(huán)計數(shù)器， 但它輸出的不是一般的編碼，而是步進電機勵磁狀態(tài)所要求的特殊編碼 【 4 】 。 在步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)中，控制器與驅(qū)動器之間連接方式可分為串行控制和并行控制。串行控制時，控制器輸出脈沖信號和方向電平，環(huán)形脈沖分配器把它轉(zhuǎn)換成并行的驅(qū)動信號，再控制繞組的導(dǎo)通和截止。控制脈沖信號的有無就能控制步進電機運行和停止， 脈沖信號的頻率決定步進電機的運行速度，方向電平控制步進電機的運轉(zhuǎn)方向。并行控制時，控制器直接輸出各相繞組的導(dǎo)通和截止信號，此時環(huán)形脈沖分配器在控制器中，由軟件來代替環(huán)形脈沖分配器的功能，不管是串行控制還是并行控制必須有環(huán)形脈沖分配器這個環(huán)節(jié)。 步進電機按類型、相數(shù)來劃分種類繁多，不同種類、不同相數(shù)、不同分配方式都必須有不同的環(huán)形脈沖分配器，因此所需要的環(huán)形脈沖分配器的類型是很多的。如果全部用硬件來搭成，結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的，不能滿足步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的需要，為此提出一種用 EPROM 搭建的環(huán)形分配器，以滿足不同的要 求。 EPROM 存儲器是一種紫外線擦除的可編程只讀存儲器，存儲器的內(nèi)容可哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 9 以由使用者自己編程，且可以用紫外線照射后重新使用。用 EPROM 可以搭建成各種環(huán)形脈沖分配器。其基本思想是：首先確定步進電機勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，再以二進制碼的形式存入 EPROM 存儲器中，只要按照地址的正向或反向順序依次取出地址的內(nèi)容，那么存儲器輸出的就是各相繞組的勵磁狀態(tài)，用 EPROM搭建的環(huán)形脈沖分配器的原理框圖如圖 所示，它由兩部分組成。前面是一個可逆的循環(huán)計數(shù)器，計數(shù)脈沖的有無控制步進電機的運行與停止，計數(shù)器加減控制端控制步進電機 的正反轉(zhuǎn)，如果低電平時計數(shù)器加計數(shù)，步進電機正轉(zhuǎn)，如果高電平時計數(shù)器減計數(shù)，步進電機反轉(zhuǎn)。計數(shù)器的計數(shù)長度應(yīng)等于步進電機運行一個周期的拍數(shù)或拍數(shù)的整數(shù)倍，計數(shù)器的輸出端接到 EPROM 的地址線上，并且使 EPROM 總是處于讀出的狀態(tài)，這樣計數(shù)器的每個計數(shù)狀態(tài)都對應(yīng)存儲器的一個地址，存儲器的輸出端就對應(yīng)步進電機的一種勵磁狀態(tài)。簡單的說存儲器存入的是一個環(huán)形脈沖分配器的狀態(tài)輸出表，計數(shù)器每輸入一個脈沖，計數(shù)器計一個數(shù)，這個數(shù)值就會選通存儲器的一個地址，存儲器就輸出一個數(shù)據(jù)，即步進電機的一個勵磁狀態(tài)。如果計數(shù)器做加計 數(shù)，則存儲器按地址遞增的方向依次讀取狀態(tài)表的內(nèi)容，相反，計數(shù)器做減計數(shù)，則存儲器按地址遞減方向依次取出狀態(tài)表的內(nèi)容，從而控制步進電機的正反轉(zhuǎn)。 圖 含有 EPROM 環(huán)形脈沖分配器 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 10 用 EPROM 設(shè)計環(huán)形脈沖分配器，具有如下的特點： 線路簡單。由可逆循環(huán)計數(shù)器和存儲器兩部分組成，計數(shù)器可以用現(xiàn)有的器件實現(xiàn)，計數(shù)長度可以用簡單的外圍電路實現(xiàn)。對 EPROM 存儲器的主要工作是編程，存儲狀態(tài)表，所以工作量小。 一種線路可以實現(xiàn)多種勵磁狀態(tài)方式的分配，只要在不同的地址區(qū)域存儲不同的狀態(tài)表，除軟件工作之 外，硬件無需改動。 可排除非法狀態(tài)。驅(qū)動電路輸入非法狀態(tài)可能會損壞驅(qū)動電路。存儲器中存儲的內(nèi)容，除了在選通的地址存儲所需的狀態(tài)表之外，其他沒用的地址都存儲各相截止的信號。因此即使有非法的地址輸入，輸出端輸出的都是截止的信號，可以保護驅(qū)動器不受損壞。 由于勵磁狀態(tài)是按運行拍數(shù)循環(huán)的，所以存儲器輸出的狀態(tài)也必須按拍數(shù)循環(huán)出現(xiàn)，這就要求計數(shù)器是可逆計數(shù)器，同時計數(shù)長度是運行循環(huán)拍數(shù)的整數(shù)倍。實際上，使用 RPROM 設(shè)計的環(huán)形脈沖器是一種軟硬件結(jié)合的技術(shù)，通過軟件的編程可以實現(xiàn)不同勵磁方式的輸出。 由上可見，這種 方法適用于控制任意類型的步進電機。對于不同的步進電機及不同的勵磁方式，只需改變存儲的狀態(tài)表，硬件不需要做任何的變化。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡單，速度快，少占用 CPU的時間，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。軟件方法的優(yōu)點是節(jié)省硬件，降低系統(tǒng)的成本，且更改靈活，有利于系統(tǒng)的小型化，其主要的缺點是占用 CPU 時間較多，降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計 11 圖 環(huán)形脈沖分配器電路 由 EPROM 與可逆計數(shù)器構(gòu)成的環(huán)形脈沖分配器如圖 所示，計數(shù)器選用 74LS191， 74LS191 是四位二進制進制可逆計數(shù)器，時鐘 脈沖從 CP 端輸入，計數(shù)器的輸出 QA~QD 直接接到 EPROM 的低四位地址線 A0~A3，這樣可以選通 2716 的十六個地址（ 00H~0FH）。 74LS191 第五腳為加減法輸入控制端，該輸入端作為方向輸入的控制信號，當(dāng)?shù)碗娖綍r做加法計數(shù)，為正轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)為高電平時做減法計數(shù)，為反轉(zhuǎn)狀態(tài)。 74LS191 數(shù)據(jù)輸入端 A、 B、 C、 D 各管腳接地， 11 腳是置數(shù)端，當(dāng)它為高電平時 74LS191 為計數(shù)狀態(tài)，當(dāng)它為低電平時，計數(shù)器停止計數(shù)，把數(shù)據(jù)端的內(nèi)容（ ABCD）裝入計數(shù)器。 2716 的管腳 OE 和 CE 分別為輸出允許和片選端，使它接 地讓它一直處于選通狀態(tài)。四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提