【正文】 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\輸出驅動電路步進電機負載圖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、成本低廉的特性得到了廣大工程設計者的青睞，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)和應用在工業(yè)生產控制領域中，而以單片機作為核心的步進電機生產運行系統(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動線路。由于單片機的強大功能，還可設計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設置了步進電機正轉、反轉、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結合的方法來調用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉、反轉速度等狀態(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，通過對單片機的設定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅動，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)的應用領域，在工業(yè)上的應用發(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子永磁體加工方面的限制步距角一般較大，相應的轉動分辨率比較受限，但是由于采用了低成本的爪極式結構使得其制造工藝簡單、價格較低，容易快速批量生產，因而廣泛應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用場合的主流，它剛開始和反應式步進電機一同發(fā)展起來，后來逐步用于替代反應式步進電機。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)不利于步進電機產業(yè)的發(fā)展，隨著時間的推移目前逐步形成了相應的主流產品，在西方可以明顯看出最大量應用的是定子8極轉子50齒的二相混合式步進電動機，其次是定子10極轉子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，當時只有清華大學，華中理工大學等少數(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)控設備的需求對步進電機的發(fā)展起了很大的促進作用。當時受到蘇聯(lián)、日本等工業(yè)較發(fā)達國家的影響，國內開始自行研制磁阻式步進電機的系列產品。70年代末形成了以定子6個極、轉子40齒的三相磁阻式電動機為主，另外還有定子10個極、轉子100齒的五相磁阻式電動機等共存的步進電機應用局面。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、驅動控制技術成熟、價格較低，仍然很受國內中小企業(yè)的歡迎，因此我國步進電機的生產與國外不同仍然以反應式步進電機為主。 步進電機驅動方式分類及比較步進電機驅動方法的分類主要有恒電壓驅動方式（單電壓驅動、高低壓驅動）、恒電流斬波驅動方式（自激式恒電斬波驅動、它激式恒電流斬波驅動）和細分驅動方式。以下是這幾種驅動方式的比較。 單電壓驅動圖14 單電壓驅動原理圖單電壓驅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設電流，串入電阻Rc；為防止關斷T時繞組電流變化率太大，而產生很大的反電勢將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”。單電壓功率驅動電路的優(yōu)點是電路結構簡單、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入電阻后，功耗加大，整個功率驅動電路的效率較低，僅適合于驅動小功率步進電機。 高低壓驅動為了使通電時繞組能迅速到達設定電流，關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)了高低壓驅動方式。圖15 高低壓驅動原理如圖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。高低壓驅動可獲得較好的高頻特性，但是由于高壓管的導通時間不變，在低頻時，繞組獲得了過多的能量，容易引起振蕩。可通過改變其高壓管導通時間來解決低頻振蕩問題，然而其控制電路較單電壓復雜，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動D/A輸出預設值比較器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動框圖把步進電機繞組電流值轉化為一定比例的電壓，與D/A轉換器輸出的預設值進行比較，控制功率管的開關，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，因而對控制電路產生很大的干擾，容易產生振蕩，可靠性大大降低。[8] 它激式恒電流斬波驅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：當比較器輸出的導通脈沖剛好介于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。 細分驅動要了解步進電機驅動器的“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，真正的步距角和驅動器有關，參見下表（還以型86BYG250A電機為例）： 細分驅動步距角電機固有步距角所用驅動器類型及工作狀態(tài)電機運行時的真正步距角176。/176。驅動器工作在半步狀態(tài)176。176。/176。細分驅動器工作在5細分狀態(tài)176。176。/176。細分驅動器工作在10細分狀態(tài)176。176。/176。細分驅動器工作在20細分狀態(tài)176。 從上表可以看出：步進電機通過細分驅動器的驅動，其步距角變小了，如驅動器工作在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：‘當驅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動器靠精確控制電機的相電流所產生的，與電機無關。驅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?。?，選擇細分驅動器是唯一的選擇。提高了電機的輸出轉矩尤其是對三相反應式電機，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的《單片機原理及其接口技術》理論知識，加強對所學知識的理解，鍛煉設計單片機應用系統(tǒng)能力，以單片機為核心設計一個簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全、適應性強，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部結構、組成，學習單片工作原理及其內部工作狀態(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，掌握步進電機內部結構及其工作原理，并學習使用單片機簡單控制步進電機的正傳、反轉、加速、減速以及簡單了解國內外步進電機的發(fā)展狀況。 論文安排本論文首先簡單介紹了步進電機的應用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進電機常見的控制系統(tǒng)方案和常見的驅動方案，在這個基礎上提出了自己的設計目的，即設計一套硬件系統(tǒng)較簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全，適應性強，操作方便，交互性強，可靠性高，而且能在目前的職業(yè)教學中得到事半功倍的教學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計的系統(tǒng)的功能和操作、硬件設計、軟件設計。具體安排如下:第一章為緒論，介紹了步進電機的應用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進電機常見的控制系統(tǒng)方案和常見的驅動方案，了解各種方案的優(yōu)缺點，提出自己的思路和設計目的。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、軟件設計提供必須的理論基礎。第三章為步進電機控制系統(tǒng)概述，在框架結構上對整個系統(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，為自己的設計提供有力的支持。接著介紹了本論文要設計的控制系統(tǒng)的功能特點，及要實現(xiàn)的操作方式。第四章為系統(tǒng)硬件設計，先提出框架，然后分別闡述單片機端口分配、外圍電路、驅動電路的設計。第五章為系統(tǒng)軟件設計.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速進行控制的動力控制系統(tǒng)。 在負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，一般情況下，電機的狀態(tài)不受負載的影響。電機的運行角度只和每次所給予的脈沖信號強度有關，而電機的運行速度也只和脈沖信號的頻率有直接關系。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，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、正反轉及變速，響應性也好；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大范圍內選擇。在小步距情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D矩穩(wěn)定運行，通常可以不經(jīng)減速器直接驅動負載；速度可在相當寬范圍內平滑調節(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)的不同而復雜化；不能直接使用普通的交直流電源驅動。 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。按結構特點電磁式步進電機可分為反應式(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)大學碩士學位論文前使用最為廣泛的為反應式和混合式步進電機。 反應式步進電機反應式步進電機(簡稱VR)反應式步進電機的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組。它的結構簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應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子是用永磁材料制成的，轉子本身就是一個磁源。轉子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應式)，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電。 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式和永磁式兩者的優(yōu)點?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，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動用的交流同步機設計的，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)領域中得到廣泛應用。由于本設計的設計目的更注重整個系統(tǒng)的有機結合，所以只采用反應式步進電機。[12] 步進電機的運行原理闡述 四相步進電機原理圖開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子的4號齒就和C、D相 繞組磁極產生錯齒，5號齒就和D、A相繞組磁極產生錯齒。當開關SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和4號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動，4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產生錯齒，5號齒就和A、D相繞組磁極產生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。四相步進電機按照通電順序的不同，可