【正文】 溫度的變化的影響、誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累的特點(diǎn)，給實(shí)際的應(yīng)用帶來(lái)了很大的方便。研究步進(jìn)電機(jī)的控制方法，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。為此，本文設(shè)計(jì)了一段步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度等級(jí)的調(diào)節(jié)，并用數(shù)碼管顯示。 發(fā)展概況 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。 目前，生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開(kāi)發(fā)，研制的廠家卻非常少，連最基本的設(shè)備都沒(méi)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(jìn)電機(jī)為例敘述其基本工作原理及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序。望能對(duì)廣大用戶在選型使用時(shí)有所幫助。 課題主要內(nèi)容 本課題將分析步進(jìn)電機(jī)的工作原理，并簡(jiǎn)單介紹其各種驅(qū)動(dòng)方式。使用單片機(jī)以軟件方式配合有關(guān)芯片和電路元件驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)C語(yǔ)言編程方法，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使其在一定范圍下運(yùn)行。在Keil中編程并調(diào)試，Proteus中進(jìn)行仿真，并很好地模擬出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最后，根據(jù)電路圖焊接出實(shí)物。 第2章 步進(jìn)電機(jī)的基本原理、分類和選擇 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) 電機(jī)固有步距角：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，176。/176。(176。 176。)這個(gè)步距角可以稱之為“電機(jī)固有步距角”它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)：是指電機(jī)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(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，176。/176。、176。/176。、176。/176。在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則“相數(shù)”將變得沒(méi)有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。 保持轉(zhuǎn)矩：是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如。 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 1．一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3%5%，且不累積。 2．步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 3．當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 4．步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。 步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?目前常用的有三種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)： 1．反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(VR)。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角小；但動(dòng)態(tài)性能差。 2．永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(PM)。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)出力大，動(dòng)態(tài)性能好；但步距角大。 3．混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(HB)?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是目前性能最高的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。它有時(shí)也稱作永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 綜合步進(jìn)電機(jī)的以上參數(shù)特點(diǎn)以及各種步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，本課題選用四相混合式（感應(yīng)子式）步進(jìn)電機(jī) 如圖21。開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開(kāi)，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開(kāi)關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開(kāi)時(shí)，由于C相繞組的磁力線和4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖21 四相步進(jìn)電機(jī)步工作進(jìn)示意圖 四相步進(jìn)電機(jī)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 考慮到實(shí)驗(yàn)室材料和驅(qū)動(dòng)功率大小等實(shí)際條件，以及連線的方便與否。最終選擇型號(hào)為28BYJ48的四相五線步進(jìn)電機(jī)。該步進(jìn)電機(jī)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(dòng)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(duì)耐壓：600VAC/1s 第3章 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)接口選擇 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，如圖31所示，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。圖中點(diǎn)劃線所包圍的二個(gè)單元可以用微機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接耦合，也可理解成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微機(jī)控制器的功率接口，這里對(duì)步進(jìn)電機(jī)各種驅(qū)動(dòng)接口進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。 圖31 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng) 在電機(jī)繞組回路中串有電阻Rs，使電機(jī)回路時(shí)間常數(shù)減小，高頻時(shí)電機(jī)能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機(jī)的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡(jiǎn)單單電壓驅(qū)動(dòng)線路中，Rs是不可缺少的。Rs對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單步響應(yīng)的改善如圖32。 圖32 單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口及單步響應(yīng)曲線 雙電壓驅(qū)動(dòng)的功率接口如圖33所示。雙電壓驅(qū)動(dòng)的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓UL驅(qū)動(dòng)，而在高速（高頻段）時(shí)用較高的電壓UH驅(qū)動(dòng)。這種功率接口需要兩個(gè)控制信號(hào)，Uh為高壓有效控制信號(hào)，U為脈沖調(diào)寬驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。圖中，功率管TH和二極管DL構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)Uh低電平，TH關(guān)斷，DL正偏置，低電壓UL對(duì)繞組供電。反之Uh高電平，TH導(dǎo)通，DL反偏，高電壓UH對(duì)繞組供電。這種電路可使電機(jī)在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時(shí)功耗減小。 圖33 雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口 圖34 高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口 高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口如圖34所示。高低壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，不論電機(jī)工作頻率如何，均利用高電壓UH供電來(lái)提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿，而在前沿過(guò)后，用低電壓UL來(lái)維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動(dòng)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(dòng)功率接口也有兩個(gè)輸入控制信號(hào)Uh和Ul，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時(shí)刻跳變，如圖34所示。圖中，高壓管VTH的導(dǎo)通時(shí)間tl不能太大，也不能太小，太大時(shí)，電機(jī)電流過(guò)載；太小時(shí)，動(dòng)態(tài)性能改善不明顯。一般可取13ms。 恒流驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，設(shè)法使導(dǎo)通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時(shí)均保持固定數(shù)值。使電機(jī)