【正文】 溫度的變化的影響、誤差不會長期積累的特點，給實際的應用帶來了很大的方便。研究步進電機的控制方法，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。為此，本文設(shè)計了一段步進電機驅(qū)動程序，可以實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)動速度等級的調(diào)節(jié)，并用數(shù)碼管顯示。 發(fā)展概況 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 目前，生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。鑒于上述情況，本文決定以四相混合式步進電機為例敘述其基本工作原理及設(shè)計簡單的驅(qū)動程序。望能對廣大用戶在選型使用時有所幫助。 課題主要內(nèi)容 本課題將分析步進電機的工作原理，并簡單介紹其各種驅(qū)動方式。使用單片機以軟件方式配合有關(guān)芯片和電路元件驅(qū)動步進電機，通過C語言編程方法，對步進電機的轉(zhuǎn)速進行控制，使其在一定范圍下運行。在Keil中編程并調(diào)試，Proteus中進行仿真，并很好地模擬出實驗結(jié)果。最后，根據(jù)電路圖焊接出實物。 第2章 步進電機的基本原理、分類和選擇 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)，當步進電機接收到一個脈沖信號，它就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^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)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 步進電機的基本參數(shù) 電機固有步距角：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)。 步進電機的相數(shù)：是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，176。/176。、176。/176。、176。/176。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則“相數(shù)”將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。 保持轉(zhuǎn)矩：是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如。 步進電機的特點 1．一般步進電機的精度為步進角的3%5%，且不累積。 2．步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 3．當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 4．步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。 步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 目前常用的有三種步進電動機： 1．反應式步進電動機(VR)。反應式步進電動機結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角小；但動態(tài)性能差。 2．永磁式步進電動機(PM)。永磁式步進電動機出力大，動態(tài)性能好；但步距角大。 3．混合式步進電動機(HB)?；旌鲜讲竭M電動機綜合了反應式、永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點，它的步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是目前性能最高的步進電動機。它有時也稱作永磁感應子式步進電動機。 綜合步進電機的以上參數(shù)特點以及各種步進電機的優(yōu)缺點，本課題選用四相混合式（感應子式）步進電機 如圖21。開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當開關(guān)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(chǎn)生錯齒，5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。 圖21 四相步進電機步工作進示意圖 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，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。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)動力矩又可以提高控制精度。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖22a、b、c所示： a. 單四拍 b. 雙四拍 圖22 步進電機工作時序波形圖 考慮到實驗室材料和驅(qū)動功率大小等實際條件，以及連線的方便與否。最終選擇型號為28BYJ48的四相五線步進電機。該步進電機的主要參數(shù)為： 1．額定電壓：5VDC 2．直流電阻：200?177。7%（25176。） 3．減速比：1/64 4．步距角：176。/64 5．驅(qū)動方式：4相8拍 6．牽入轉(zhuǎn)矩：≧(120Hz) 7．打滑扭力： 8．溫升：50K（5VDC 工作頻率：120Hz) 9．噪音：小于35dB（120Hz) 10．絕對耐壓：600VAC/1s 第3章 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)及驅(qū)動接口選擇 步進電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅(qū)動器，如圖31所示，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。圖中點劃線所包圍的二個單元可以用微機控制來實現(xiàn)。驅(qū)動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口，這里對步進電機各種驅(qū)動接口進行簡單的介紹。 圖31 步進電動機驅(qū)動控制系統(tǒng) 在電機繞組回路中串有電阻Rs，使電機回路時間常數(shù)減小，高頻時電機能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡單單電壓驅(qū)動線路中，Rs是不可缺少的。Rs對步進電動機單步響應的改善如圖32。 圖32 單電壓功率驅(qū)動接口及單步響應曲線 雙電壓驅(qū)動的功率接口如圖33所示。雙電壓驅(qū)動的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓UL驅(qū)動，而在高速（高頻段）時用較高的電壓UH驅(qū)動。這種功率接口需要兩個控制信號，Uh為高壓有效控制信號，U為脈沖調(diào)寬驅(qū)動控制信號。圖中，功率管TH和二極管DL構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當Uh低電平，TH關(guān)斷，DL正偏置，低電壓UL對繞組供電。反之Uh高電平，TH導通，DL反偏，高電壓UH對繞組供電。這種電路可使電機在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時功耗減小。 圖33 雙電壓功率驅(qū)動接口 圖34 高低壓功率驅(qū)動接口 高低壓功率驅(qū)動接口如圖34所示。高低壓驅(qū)動的設(shè)計思想是，不論電機工作頻率如何，均利用高電壓UH供電來提高導通相繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓UL來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻Rs，消除了附加損耗。高低壓驅(qū)動功率接口也有兩個輸入控制信號Uh和Ul，它們應保持同步，且前沿在同一時刻跳變，如圖34所示。圖中，高壓管VTH的導通時間tl不能太大，也不能太小，太大時，電機電流過載；太小時，動態(tài)性能改善不明顯。一般可取13ms。 恒流驅(qū)動的設(shè)計思想是，設(shè)法使導通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時均保持固定數(shù)值。使電機