【正文】 控制方便靈活，因此在智能儀表和位置控制中得到了廣泛的應(yīng)用，大規(guī)模集成電路的發(fā)展 以及單片機(jī)技術(shù)的迅速普及，為設(shè)計(jì)功能強(qiáng)，價(jià)格低的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器提供了先進(jìn)的技術(shù)和充足的資源。 3 一、步進(jìn)電機(jī)原理、控制技術(shù)及其特點(diǎn) 由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專(zhuān)業(yè)設(shè) —— 步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器，典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 的 控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號(hào)，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列，環(huán)形分配器的主要功能是把來(lái)自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過(guò)功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各項(xiàng)輸入端，以 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，環(huán)形分配器主要有兩大類(lèi)：一類(lèi)是用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱(chēng)軟環(huán)形分配器。另一類(lèi)是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱(chēng)硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對(duì)環(huán)形分配器的較小輸出信號(hào)進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的目的，步進(jìn)電機(jī)的基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制兩個(gè)方面。從結(jié)構(gòu)上看，步進(jìn)電機(jī)分為三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍 3種，其基本原理如下： （ 1） 換相順序的控制 通電換相這一過(guò)程稱(chēng)為脈沖分配。例如，三相步進(jìn)電機(jī)在單三拍的工作方式 下，其各相通電順序?yàn)? A→ B→ C→ A，通 電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別 控制 A、 B、 C 相的通斷。三相雙三拍的通電順序?yàn)? AB→ BC→ CA→ AB，三相六拍的通電順序?yàn)?A→ AB→ B→ BC→ C→ CA→ A。 （ 2） 步進(jìn)電機(jī)的換向控制 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。若步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式為 三相六拍，即 A→ AB→ B→ BC→ C→ CA→ A。如果按反序通電換相， A→ AC→ C→ CB→ B→ BA→ A，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類(lèi)似。 （ 3） 步進(jìn)電機(jī)的速度控制 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一 步。兩個(gè) 脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率， 4 就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試。 （ 4） 步進(jìn)電機(jī)的起?？刂? 步進(jìn)電機(jī)由于其電氣特性，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有步進(jìn)感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，減小 振動(dòng)，可在步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯形波，可以減小步 進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，跳過(guò)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，為了防止因慣性 而使電機(jī)軸產(chǎn)生順滑，則需采用合適的鎖定波形，產(chǎn)生鎖定磁力矩，鎖定步進(jìn)電 機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。 （ 5）步進(jìn)電機(jī)的加減速控制 在步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn) 發(fā)現(xiàn)，如果信號(hào)變化太快，步進(jìn)電機(jī)由于慣性跟不上電信號(hào)的變化，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象。所有步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，必須有加速過(guò)程，在停止時(shí)波形有減速過(guò)程。理想的加速曲線(xiàn)一般為指數(shù)曲線(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)整個(gè)降速過(guò)程頻率變化規(guī)律是整個(gè)加速過(guò)程頻率變化規(guī)律的逆過(guò)程。選定的曲線(xiàn)比較符合步進(jìn)電機(jī)升降過(guò)程的運(yùn)行規(guī)律，能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)性好，縮短了升降速的時(shí)間，并可防止失步和過(guò)沖現(xiàn)象。在一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)中，要根據(jù)負(fù)載的情況來(lái)選擇步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率稱(chēng)為“啟動(dòng)頻率”，于此類(lèi)似“停止頻率” 是指系統(tǒng)控制信號(hào)突然關(guān)斷，步進(jìn)電機(jī)不沖過(guò)目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率。電機(jī)的啟動(dòng)頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相適應(yīng)，有了這些數(shù)據(jù)，才能有效地對(duì)電機(jī)進(jìn)行加減速控制。加速過(guò)程有突然施加的脈沖啟動(dòng)頻率 f0。步進(jìn)電機(jī)的最高啟動(dòng)頻率（突跳頻率）一般為 到 3~4KHz，而最高運(yùn)行頻率則可以達(dá)到N*102KHz，以超過(guò)最高啟動(dòng)頻率的頻率直接啟動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。 （ 6） 步進(jìn)電機(jī)的換向控制 步進(jìn)電機(jī)換向時(shí)，一定要在電機(jī)降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)在換向， 以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī) 。換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)脈沖 結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第一個(gè)脈沖前發(fā)出。對(duì)于脈沖的設(shè)計(jì)主要要求其有一定 5 的脈沖寬度、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。在某一高速下的正、反向切換 實(shí)質(zhì)包含了降速→換向→加速 3個(gè)過(guò)程。 步進(jìn)電機(jī)有如下特點(diǎn)： ① 步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒(méi)有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。 ② 由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常方便、廉價(jià)，也非常可靠。同時(shí)，它也可以有角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 ③ 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟 停、正反轉(zhuǎn)及變速。 ④ 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得很大的轉(zhuǎn)矩，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 ⑤ 步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接用交流電源或直流電源。 ⑥ 步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)比較大，帶慣性負(fù)載的能力強(qiáng)。 二、元器件介紹 （ 1）步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信 號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其 他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是：它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的 總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（ PM），反應(yīng)式（ VR）和混合式 (HB)，步進(jìn)電機(jī)又稱(chēng)為脈沖電機(jī)，是工業(yè)過(guò)程控制和儀表中一種能夠快速啟動(dòng)，反轉(zhuǎn)和制動(dòng)的執(zhí)行元件。其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線(xiàn)位移，由于開(kāi)環(huán)下就能實(shí)現(xiàn) 精確定位的特點(diǎn)，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是由電 脈沖信號(hào)控制的，其角位移量或線(xiàn)位移量與脈沖數(shù)成正比，每個(gè)一個(gè)脈沖，步進(jìn) 電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度（不距角）或前進(jìn)、倒退一步。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度由輸入 的電脈沖數(shù)確定，所以 ，也有人稱(chēng)步進(jìn)電機(jī)為數(shù)字 /角度轉(zhuǎn)換器。 ① 四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理 6 該設(shè)計(jì)采用了 20BY0 型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直 流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn) 動(dòng)。當(dāng)某一相繞組通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時(shí)，如 果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒(méi)有對(duì)齊，在磁場(chǎng)的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小 路徑的特點(diǎn)，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對(duì)齊，由此可見(jiàn)， 錯(cuò)齒是促使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因。 ② 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ) 相數(shù)：產(chǎn)生不 同隊(duì) N、 S磁場(chǎng)的激磁線(xiàn)圈對(duì)數(shù)，常用 m表示。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖用 n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距 角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即 AB→ BC→ CD→ DA→ AB, 四相八拍運(yùn)行方式即 A→ AB→ B→ BC→ C→ CD→ D→ DA→ A。 步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用 θ 表示。 50 齒角電機(jī)為例，四相運(yùn)行時(shí)步距角為 ： θ =360 度 /（ 50*4 ） = 度； 八拍運(yùn)行時(shí)步距角為： θ =360 度 /（ 50*8） = 度。 定位轉(zhuǎn)矩 ：電機(jī)在不通電的狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）。 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)作業(yè)下，電機(jī)不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定 力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。雖然 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)。但過(guò)分采用 減小氣隙，增加勵(lì)磁匝數(shù)來(lái)提高靜轉(zhuǎn)矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱 及機(jī)械噪音。 ③ 四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配規(guī)律 目前，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形 脈沖分配器、專(zhuān)用集成芯片環(huán)形脈 沖分配器等。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)進(jìn)行控制，主 要是利用軟件進(jìn)行環(huán)形脈沖分配。四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式為四相單四拍，雙四 拍和四相八拍工作的方式。各種工作方式在電源通電時(shí)的時(shí)序 與波形分別如圖 1 a、 b、 c 所示。本設(shè)計(jì)的電機(jī)工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作的 7