【正文】 步進(jìn)電機(jī)的振蕩和失步 振蕩 步進(jìn)電機(jī)的振蕩和失步是一種普遍存在的現(xiàn)象，它影響應(yīng)用系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此要盡力去避免。 步進(jìn)電機(jī)的振蕩現(xiàn)象主要發(fā)生于步進(jìn)電機(jī)工作在低頻區(qū)，步進(jìn)電機(jī)工作在共振區(qū)，步進(jìn)電機(jī)突然停止時(shí)。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低頻區(qū)時(shí)，由于勵(lì)磁脈沖間隔的時(shí)間較長(zhǎng)，步進(jìn)電機(jī)表現(xiàn)為單步運(yùn)行，當(dāng)勵(lì)磁開(kāi)始時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下加速轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)平衡點(diǎn)時(shí)，電磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速最大，由于慣性，轉(zhuǎn)子沖過(guò)平衡點(diǎn)，這時(shí)電磁力產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子在負(fù)轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)速逐漸為零，并開(kāi)始反向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)過(guò)平衡點(diǎn)后，電磁力又產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，迫使轉(zhuǎn)子又正向轉(zhuǎn)動(dòng)。如此下去，形成轉(zhuǎn)子圍繞平衡點(diǎn)的振蕩。由于有機(jī)械摩擦和電磁阻尼的作用，這個(gè)振蕩表現(xiàn)為衰弱振蕩，最終穩(wěn)定在平衡點(diǎn)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在共振區(qū)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率接近步進(jìn)電機(jī)的振蕩頻率fo或振蕩頻率的分頻或倍頻，這會(huì)使振蕩加劇，嚴(yán)重時(shí)造成失步。振蕩失步的過(guò)程可描述如下：在第一個(gè)脈沖到來(lái)后，轉(zhuǎn)子經(jīng)歷了一次振蕩。當(dāng)轉(zhuǎn)子回?cái)[到最大幅值時(shí)，恰好第2個(gè)脈沖到來(lái)，轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)回?cái)[，接著第3個(gè)脈沖到來(lái)，轉(zhuǎn)子受正電磁轉(zhuǎn)矩的作用回到平衡點(diǎn)，這樣，轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)3個(gè)脈沖仍然回到原來(lái)位置，也就是丟了三步。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在高頻率區(qū)時(shí)，由于換相周期短，轉(zhuǎn)子來(lái)不及反沖，同時(shí)，繞組中的電流尚未上升到穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)子沒(méi)有獲得足夠的能量，所以在這個(gè)工作區(qū)中不會(huì)產(chǎn)生振蕩。減少步距角可以減少振蕩幅值，以達(dá)到削弱振蕩的目的。 失步 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 步進(jìn)電機(jī)失步的原因有2種: （或者說(shuō)慢于換相速度）。例如，步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，如果脈沖的頻率較高，由于電動(dòng)機(jī)來(lái)不及獲得足夠的能量，使其無(wú)法令轉(zhuǎn)子跟上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，所以引起失步。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有一個(gè)啟動(dòng)頻率，啟動(dòng)時(shí)，肯定會(huì)產(chǎn)生失步。注意，啟動(dòng)頻率不是一個(gè)固定值，提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、減少負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、減少步距角都可以提高步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率。 。這主要發(fā)生在制動(dòng)和突然換向時(shí)，轉(zhuǎn)子獲得過(guò)多的能量，產(chǎn)生嚴(yán)重的過(guò)沖，引起失步。 步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分 隨著步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控機(jī)械、自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)小步距、低振動(dòng)和低噪聲的步進(jìn)電機(jī)要求愈來(lái)愈迫切。步距角是指每給一個(gè)電脈沖信號(hào)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械角度。步距角公式 Z一轉(zhuǎn)子齒數(shù)； m一運(yùn)行拍數(shù)，通常等于定子相數(shù)或相數(shù)的整數(shù)倍，即m=KM； M一定子相數(shù)； K一電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。 ，步距角的大小由電機(jī)自身參數(shù)m、Z，和電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式k決定，受電機(jī)制造工藝的限制，靠增加m和z，來(lái)減小步距角受到一定限制，此時(shí)必須通過(guò)增大k來(lái)獲得更小的步距角。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作于整步工作方式時(shí)，k=l；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作于半步工作方式時(shí)，k=2；為了獲得更大的k，就必須采用細(xì)分控制方法。細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以大幅度減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，并且步距角越小，進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域越容易，這樣就增加了電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，還可以減弱甚至消除電機(jī)的低頻振蕩和噪聲，提高起動(dòng)頻率和高速下的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也可以提高電機(jī)的定位分辨率和精度。 步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性 矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩Md與連續(xù)運(yùn)行頻率f之間的關(guān)系。矩頻特性曲線上每一個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降下。 電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性曲線，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式的共振區(qū)一般180250pps之間（）或在400pps左右（），電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出力矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。第三章 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介，是一個(gè)簡(jiǎn)單地步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖，從圖中我們可以看到步進(jìn)電機(jī)主要由單片機(jī)控制，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)器放大信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所以說(shuō)單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)器是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)里必不可少的重要部分。本設(shè)計(jì)中用到的單片機(jī)是STC89C52，是一種常用的單片機(jī)，功能強(qiáng)大，價(jià)格低廉，完全能夠達(dá)到本設(shè)計(jì)的要求；本設(shè)計(jì)中用到的驅(qū)動(dòng)器是ULN2003A，是一種集成芯片，為步進(jìn)電機(jī)提供了穩(wěn)定可靠的驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)同時(shí)還用到了LCD顯示模塊，用來(lái)顯示步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)。接下來(lái)我為大家介紹這些模塊。 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的原理系統(tǒng)圖 單片機(jī)模塊 單片機(jī)簡(jiǎn)介STC89C52RC單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)STC89C52RC單片機(jī)，選擇12時(shí)鐘/機(jī)器周期。 主要特性如下： 1. 增強(qiáng)型STC89C52RC單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期指，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)STC89C52RC。 2. 工作電壓：～。 3. 工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz。 4. 用戶應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)。 5. 片上集成512字節(jié)RAM。 6. 通用I/O口（32 個(gè)）P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口，P0口是漏極開(kāi)路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)，需加上拉電阻。 7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用編程器，無(wú)需專用仿真器，可通過(guò)串口（RxD/,TxD/）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。8. 具有EEPROM功能。9. PDIP封裝。 10. 共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器T0、TT2。 11. 外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒。 12. 通用異步串行口（UART），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART。 13. 工作溫度范圍：40～+85℃（工業(yè)級(jí)）/0～75℃（商業(yè)級(jí)） STC89C52RC 單片機(jī)的工作模式掉電模式：典型功耗,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序。 空閑模式：典型功耗2mA典型功耗。正常工作模式：典型功耗4Ma～7mA典型功耗。 掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于水表、氣表等電池供電系統(tǒng)及便攜設(shè)備。 STC89C52RC引腳功能說(shuō)明 STC89C52RC引腳圖 （2根） VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源。 GND(Pin20)：接地線。 （2根） XTAL1(Pin18)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端。 XTAL2(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端。 （4根） RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào)。 PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。 EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令,如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。 （32根） STC89C52單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、PPP3口，每個(gè)口有8位（8根引腳），共32根。 PO口（Pin39～Pin32）：8位雙向I/O口線，～ P1口（Pin1～Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，～ P2口（Pin21～Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，～ P3口（Pin10～Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，～ STC89C52內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。(a) 所示，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路?！?2MHz之間選擇，電容值在5～30pF之間選擇，電容值的大小可對(duì)頻率起微調(diào)的作用。（b）所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無(wú)特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號(hào)。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘P1和P2，供單片機(jī)使用。 （a）內(nèi)部方式時(shí)鐘電路 （b）外部方式時(shí)鐘電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。除PC之外，復(fù)位操作還對(duì)其他一些寄存器有影響。寄存器復(fù)位狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài)PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00HRST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期(即二個(gè)機(jī)器周期)以上。若使用頗率為6MHz的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過(guò)4us才能完成復(fù)位操作。整個(gè)復(fù)位電路包括芯片內(nèi)、外兩部分。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)(RST)送至施密特觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2時(shí)刻對(duì)施密特觸發(fā)器的輸出進(jìn)行采樣，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，（a）所示。這佯，只要電源Vcc的上升時(shí)間不超過(guò)1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的，（b）所示；而按鍵脈沖復(fù)位則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，（c）所示：（a）上電復(fù)位 （b）按鍵電平復(fù)位 （c）按鍵脈沖復(fù)位上述電路圖中的電阻、電容參數(shù)適用于12MHz晶振，能保證復(fù)位信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間大于2個(gè)機(jī)器周期。 （b）按鍵電平復(fù)位電路。 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理 脈沖的生成 脈沖幅值：由數(shù)字元件電平?jīng)Q定。 TTL 0 ～ 5V CMOS 0 ～ 10V 接通和斷開(kāi)時(shí)間可用延時(shí)的辦法控制。 要求：確保步進(jìn)到位。 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)。四相八拍，通電順序?yàn)? 正轉(zhuǎn): A→AB→B→BC→C→CD→D→DA 反轉(zhuǎn): A→AD→D→DC→C→CB→B→BA 改變通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向,通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配。 按照給定的通電換相順序，通過(guò)單片機(jī)IO向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖，下面以四相八拍為例上面提到了工作方式通電換相得正序?yàn)?A→AB→B→BC→C→CD→D→DA ，反序?yàn)?A→AD→D→DC→C→CB→B→BA 在本設(shè)計(jì)中I/O口對(duì)應(yīng)的相位為： ：A相驅(qū)動(dòng) ：B相驅(qū)動(dòng) ：C相驅(qū)動(dòng) ：D相驅(qū)動(dòng) 用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖 四相八拍控制字如下表所示： 通電狀態(tài) 控制字A000101HAB001103HB001002HBC011006HC010004HCD11000CHD100008HDA10010DH 四相八拍作方式的控制字 注：0代表使繞組斷電，1代表使繞組通電。 在程序中，只要依次將這10個(gè)控制字送到P1口，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角，每送一個(gè)控制字，就完成一拍，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。 控制電路圖 圖中1，2，3，5，6，7，8按鈕分別控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，加速、減速，正點(diǎn)動(dòng)，逆點(diǎn)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)的速度控制是通過(guò)單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于脈沖分配方式，可以采用調(diào)整兩個(gè)控制字之間的時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，控制步進(jìn)電機(jī)的速度的方法可有兩種： ：改變延時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度就可以改變輸出脈沖的頻率，但這種方法CPU 長(zhǎng)時(shí)間等待，占用大量的機(jī)時(shí)，因此沒(méi)有實(shí)踐價(jià)值。 ：在中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行脈沖輸出操作，調(diào)整定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這種方法占有的CPU時(shí)間較少，在各種單片機(jī)中都能實(shí)現(xiàn)，是一種比較實(shí)用理想的調(diào)速方法。 定時(shí)器法利用定時(shí)器進(jìn)行工作，為了產(chǎn)生步進(jìn)脈沖，要根據(jù)給定的脈沖頻率和單片機(jī)的機(jī)器周期來(lái)計(jì)算定時(shí)常數(shù)，這個(gè)定時(shí)器決定了定時(shí)時(shí)間，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到而使定時(shí)器產(chǎn)生溢出時(shí)發(fā)生中斷，這樣就可以得到一個(gè)給定頻率的方波輸出，改變定時(shí)常數(shù)，就可以改變方波的頻率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 步進(jìn)電機(jī)的位置控制 步進(jìn)電機(jī)的位置控制，指的是控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個(gè)位置精確地運(yùn)行到另一個(gè)位置，步進(jìn)電機(jī)的位置控制是步進(jìn)電機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，它可以不用借助位置傳感器而只需要簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制就能達(dá)到足夠的位置精度，因此應(yīng)用很廣。步進(jìn)電機(jī)的位置控制需要兩個(gè)參數(shù)： （我們稱為絕對(duì)位置），絕對(duì)位置是有極限的，其極限是執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的范圍，超越了這個(gè)極限就應(yīng)報(bào)警。 ，我們可以用折算的方式將這個(gè)距離折算成步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)，這個(gè)參數(shù)是外界通過(guò)鍵盤(pán)或可調(diào)電位器旋鈕輸入的，所以折算的工作應(yīng)該在鍵盤(pán)程序或A/D轉(zhuǎn)換程序中完成。