【正文】 的曲線。使步進電機在最短的時間內(nèi)以較大的輸出轉(zhuǎn)矩升到設(shè)定的速度，從而提高加工效率。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 第 1 章 步進電機簡介 167。 步進電機工作原理及分類 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進角） 。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 步進電機實際上是一個數(shù)字 /角度轉(zhuǎn)換器，也是一個串行的數(shù) /模轉(zhuǎn)換器 .步進電機的結(jié)構(gòu)與步進電機所含的相數(shù)有關(guān) . 步進電機是一種進行精確步進運動的機電執(zhí)行元件，它廣泛地用于工業(yè)機械的數(shù)字控制。從步進電機的矩 頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉(zhuǎn)矩越小，帶動負載的能力越差。當(dāng)啟動頻率較高時，啟動時會造成失步，而停止時由于慣性作用又會發(fā)生過沖，所以在步進電機控制中必須要采取升降速控制 措施。本文根據(jù)步進電機的動力學(xué)方程和矩 頻特性曲線建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用指數(shù)規(guī)律的升降速算法，對升降速的過程進行離散處理，用定時器控制發(fā)出脈沖的時間間隔，采用查表和計算相結(jié)合的方法實現(xiàn)了步進電機的升降速過程的控制。本設(shè)計采用以單片機為核心的系統(tǒng)對步進電機進行控制。 常見的步進電機分三種：永磁式（ PM），反應(yīng)式（ VR）和混合式（ HB），永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為 度 或 15 度；反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為 度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家 80 年 代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 度而五相步進角一般為 度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛 [3]。 此外，按照電機驅(qū)動架構(gòu)又可分為單極性和雙極性步進電機。 單極性驅(qū)動電路使用四顆晶體管來驅(qū)動步進電機的兩組相位，電機結(jié)構(gòu)包含兩組帶有中間抽頭的線圈，整個電機共有六條線與外界連接。這類電機有時又稱為四相電機，但這種稱呼容易令人混淆又不正確，因為它其實只有 畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 兩個相位，精確的說法應(yīng)是雙相位六線式步進電機。六線式步進電機雖又稱為單極性步進電機，實際 上卻能同時使用單極性或雙極性驅(qū)動電路。 雙極性步進電機的驅(qū)動電路使用八顆晶體管來驅(qū)動兩組相位。雙極性驅(qū)動電路可以同時驅(qū)動四線式或六線式步進電機，雖然四線式電機只能使用雙極性驅(qū)動電路，它卻能大幅降低量產(chǎn)型應(yīng)用的成本。雙極性步進電機驅(qū)動電路的晶體管數(shù)目是單極性驅(qū)動電路的兩倍，其中四顆下端晶體管通常是由微控制器直接驅(qū)動，上端晶體管則需要成本較高的上端驅(qū)動電路。雙極性驅(qū)動電路的晶體管只需承受電機電壓，所以它不像單極性驅(qū)動電路一樣需要箝位電路。 167。 步進電機的各種指標(biāo)術(shù)語 常見步進電機的指標(biāo)可分為 : 靜態(tài)指標(biāo) 術(shù)語 和動態(tài)指標(biāo)術(shù)語 167。 靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語 相數(shù) ： 產(chǎn)生不同對磁極 N、 S 磁場的勵磁線圈對數(shù)。常用 m 表示。電機相數(shù)不同，其步距角也不同。 拍數(shù) ： 完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n 表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以三相電機為例，有三相三拍運行方式即ABBCCAAB，三相六拍運行方式即 AABBBCCCAA. 步距角 ： 對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ =360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù) J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50 齒電機為例。四拍運行時步距角為θ =360 度 /（ 50*4） = 度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ =360 度 /（ 50*8） = 度（俗稱半步）。 167。 動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語 步距角精度 ： 步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差 /步距角 *100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在 15%以內(nèi)。 失步 ： 電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 最大空載起動頻率 ： 電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 167。 步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的 組成 使用、控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如 11 所示 ： 圖 11 步進電機驅(qū)動控制 脈沖信號一般由單片機或 CPU 產(chǎn)生，脈沖的數(shù)量決定旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定旋轉(zhuǎn)的速度。一般脈沖信號的占空比為 左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。 常見 感應(yīng)子式步進電機以二、四相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為 AB A B A B AB AB，步距角為 度；二相八拍 為 ABB A B A A B B AB AAB，步距角為 度。四相電機工作方式也有二種，四相四 拍為 ABBCCDDAAB，步距角為 度；四相八拍為 ABBBCCCDDDAAAB， (步距角為 度）。 功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。 因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動方式，到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流、細分 驅(qū)動 等。步進電機 負載 脈沖信號 信號分配 功率放大 步進電機 畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 一經(jīng)定型，其性能取決于電機的驅(qū) 動電源。步進電機轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要求電機的電流越大，驅(qū)動電源的電壓越高。 電壓對力矩影響如 圖 12 所示 ： 圖 12 電壓對力矩的影響 步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。 本次設(shè)計選用 35BY48S03型步進電機。 35BY48S03 型步進電機是一種永磁式步進電機， 電機共有四組線圈，將 COM 端標(biāo)識為 C，只要 AC、 C、 BC、 C，輪流加電就能驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn) 。 35BY48S03 型步進電機主要參數(shù)如下： 步距角 ： 176。 相數(shù) ： 4 電壓 ： 12 V 電流 ： 電阻 ： 47Ω 最大靜轉(zhuǎn)距 ： 180N m 定位轉(zhuǎn)距 ： 65N m 轉(zhuǎn)動慣量 ： ㎡ 有了這些參數(shù)， 可以 設(shè)計出控制電路 . 167。 單片機控制步進電機的升降頻 一些控制簡單或要求低成本的運動控制系統(tǒng)中，經(jīng)常用步進電機做執(zhí)行元件。步進電機在這種應(yīng)用場合下最大的優(yōu)勢是：可以開環(huán)方式控制而無需 畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 反饋就能對位置和速度進行控制。但也正是因為負載位置對控制電路沒有反饋，步進電機就必須正確響應(yīng)每次勵磁變化。如果勵磁頻率選擇不當(dāng) ，電機不能夠移到新的位置，那么實際的負載位置相對控制器所期待的位置出現(xiàn)永久誤差，即發(fā)生失步現(xiàn)象或過沖現(xiàn)象。因此步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)中，如何防止失步和過沖是開環(huán)控制系統(tǒng)能否正常運行的關(guān)鍵。 步進電機作為執(zhí)行元件的一個顯著特點是速度啟停能力，若符合不超過步進電機所提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能迅速是步進電機啟動或停止，一般步進電機的步進速度為 100～ 1000 步 /秒，如果步進電機是以逐漸加速到最大值然后逐漸減速到零的方式工作，其速度可增加到 28 倍，而不失步。在實際應(yīng)用中，在大多數(shù)時候需要步進電機及負載的機械慣性以最優(yōu)化 的曲線升頻和降頻，即步進電機啟動時，以低于相應(yīng)頻率 Fe的速度運行，然后慢慢加速到一定速度后，就以此恒速運行，當(dāng)快到終點時慢慢減速至 Fe以下，直至停機并走完一定的步數(shù)。這樣步進電機就可以很快的走完全程且不失步。 失步和過沖現(xiàn)象分別出現(xiàn)在步進電機啟動和停止的時候。一般情況下，系統(tǒng)的極限啟動頻率比較低，而要求的運行速度往往比較高。如果系統(tǒng)以要求的運行速度直接啟動，因為該速度已超過極限啟動頻率而不能正常啟動，輕則可能發(fā)生丟步，重則根本不能啟動，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。系統(tǒng)運行起來以后，如果達到終點時立即停止發(fā)送脈沖串，令其立即停 止，則由于系統(tǒng)慣性作用，電機轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過平衡位置，如果負載的慣性很大，會使步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到接近終點平衡位置的下一個平衡位置，并在該位置停下。 實驗表明，圖 13 所示的指數(shù)曲線是步進電機最合理的升頻曲線，最符合電機和負載的慣性規(guī)律。且步進電機在啟動時，由于其靜態(tài)慣性大，需以較小的加速升頻，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動越來越快時，其運動慣性逐漸增大，可以較大的加速度升頻。如果我們簡單的將其設(shè)計成直線，就不能使步進電機在最短的時間內(nèi)升到最高的頻率，且保證力矩最大。同理降頻時應(yīng)為反指數(shù)曲線。為實現(xiàn)步進電機的升降頻，在系統(tǒng)設(shè)計中，一般采 用硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，硬件使用積分電路和微分電路實現(xiàn)，其元件參數(shù)一經(jīng)選定，曲線形狀就固定不變，因為每個電機及其負載的機械特性不同，所以他不能最好地與所有的電機適配。而且隨著系統(tǒng)使用的時間越來越長，元器件會發(fā)生變值，造成電 畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 機升降頻在的阻尼。為克服硬件設(shè)計中這些不能靈活變動和元器件變值的特點，我們采用程序來實現(xiàn)升降頻。軟件控制比硬件來說，具有運行可靠，改動方便的特點，而且可以降低成本。針對不同電機的機械特性，我們專門設(shè)計了一個數(shù)據(jù)區(qū)，這個數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)即確定了指數(shù)曲線的形狀，我們改變電機時，只要根據(jù)電機的特性改 變數(shù)據(jù)區(qū)的一些數(shù)據(jù)，即可使曲線很好的與電機適配 [4]。 圖 13 步進電機升降頻運行曲線 畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第 2 章 步進電機控制系統(tǒng)硬件電路 本文采用目前國內(nèi)比較常用的單片機用與整個回路的控制，單片機選用51 系列的 AT89C51 芯片，芯片及其外圍時鐘電路和復(fù)位電路組成單片機最小系統(tǒng)，按鍵 SW1SW4 做為輸入控制， ULN2020 做為步進電機驅(qū)動器件。 硬件電路總體框圖 : 圖 21 硬件電路總體框圖 167。 單片機及其外圍電路介紹 167。 CPU 芯片 AT89C51 是主機板的核 心，接收各部分信息并向各部發(fā)出命令，控制電機運行的各種工作狀態(tài)。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器， 在本次設(shè)計中不需要外擴存儲器 。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。 目前，可用于 MCS51 系列單片機開發(fā)的硬件越來越多，與其配套的各類開發(fā)系統(tǒng)、各種軟件也日趨完善，因此，可以 極方便地利用現(xiàn)有資源，開發(fā)出用于不同目的的各類應(yīng)用系統(tǒng) 。 由于將多功能 8 位CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， 所以 ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， 因其 高性能、高速度、體積小、價格低廉、穩(wěn)定可靠而得到廣泛應(yīng) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 用 ， 成為 在工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的器件， 而且 在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大 ， 為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖 22 所示： 圖 22 單片機最小系統(tǒng)電路圖 管腳說明： P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。本次設(shè)計中， P0 口作為鍵盤輸入口。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 本次設(shè)計中， P1 口作為脈沖輸出口，與步進電機驅(qū)動電路相連接。 RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2:來自反向振蕩器的輸出。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 VCC:供電電壓。 GND:接地。 EA/VPP:當(dāng) EA 保持低電平時， 選用 外部程序存儲（ 0000HFFFFH），當(dāng) EA端保持高 電平時， 用 內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。