【正文】 景及目的 步進電動機在國外通常被稱為 Steppingmotor、 Pulse motor 或 Stepper servo，其應用及其發(fā)展已有約 80 年的歷史。步進電機又稱為脈沖電機，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種常用執(zhí)行元件。其功用是將脈沖電信號變換為相應的角位移或直線位移，即給一脈沖電信號，電動機就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步。步進電機的角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速，或線速度與脈沖頻率成正比。正是由于脈沖電信號與步進電機轉(zhuǎn)角存在著這種線性關(guān)系，并且在負載能力范圍內(nèi)這些關(guān)系不會因電源電壓、負載大小 、環(huán)境條件的波動而變化，這使得步進電機不會出現(xiàn)誤差的累積現(xiàn)象，因而步進電機在速度控制、位置控制等方面得到了廣泛的應用。此外，其還可以在很寬的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖輸出頻率來調(diào)速，能夠快速啟動、反轉(zhuǎn)和制動。由于它不需要變換就能直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用微型計算機控制 [1] 。在實際應用中 ，步進電機是數(shù)字控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的執(zhí)行元件之一，在數(shù)控機床、機器人控制、繪圖儀、物料計量、包裝機械等精密機械中都有 應用。 傳統(tǒng)的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設計電路，不利于系統(tǒng)的改進升級?；谖⑿蛦纹瑱C的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進電機，能夠更好地發(fā)揮步進電機的潛力。因此，用微型單片機控制步進電機己經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 步進電機最早是在 19 世紀 20 年代由英國人開發(fā)的，并成功地被英國海軍用作定位控制和遠程遙控。我國在建國初期就已經(jīng)能夠生產(chǎn)和應用，較早是在江浙一 帶、北京、四川等地都有對其進行生產(chǎn)，并且在各行業(yè)中已被廣泛使用。目前在國外，在大功率的工業(yè)設備驅(qū)動上從驅(qū)動電路的成本、加速度絕對速度、系統(tǒng)慣量與最大扭矩比及噪音和效率上來看，現(xiàn)基本上不使用大扭矩步進電動機，而是用直流電動機，這相對于步進電 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 2 頁 機 來說比較經(jīng)濟合算。而在小功率的場合依舊廣泛使用步進電機，比如一些工業(yè)器材工業(yè)生產(chǎn)裝備、包裝機、銀行自動柜員機、打印機及速印機等等。隨著微型計算機與控制技術(shù)的發(fā)展，目前在國外更傾向 于用更多現(xiàn)代的手段逐步將步進電機排擠出驅(qū)動應用，當然除了旋轉(zhuǎn)編碼器、打印機、復印機還使用光電編 碼帶或感應編碼帶配合直流電動機，實現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制 [2] 。在國內(nèi)，過去用大力矩步進電動機實現(xiàn)機床數(shù)控，有實力的公司現(xiàn)在也采用交流電動機驅(qū)動數(shù)控機床，而在驅(qū)動設備上國內(nèi)與國外還存在著很大的差距，主要差距是國外對交流電動機的控制理論與工程分析和應用能力強，先進的控制理論作為軟件，并寫在控制器內(nèi)部。在對步進電機的細分控制技術(shù)上，國內(nèi)在改革開放初期才基本掌握，這要遠遠晚于國外。 到了 19 世紀 50 年代后期晶體管的發(fā)明也開始逐漸應用在步進電 機上，使得對步進電機進行數(shù)字化的控制變得更為容易實現(xiàn)。往后經(jīng)過不斷的改良，使得今日步進電機已廣泛運用在需要較高定位精度、高響應性、穩(wěn)定性等靈活控制性高的機械控制系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的應用蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合方面，步進電機用得較多。在組成結(jié)構(gòu)形式上，步進電機存在多種不同的結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過近八十年的發(fā)展，逐漸形成以混合式與磁阻式為主的產(chǎn)品格局。混合式步進電機最初是作為一種低速永磁同步電機設計的，是工業(yè)應用 最為廣泛的步進電機品種。步進電機在工業(yè)自動化裝備，辦公自動化設備中有著廣泛的應用，近年來，控制技術(shù)、計算機技術(shù)及微電子技術(shù)的迅速發(fā)展有力地推動了步進電機控制技術(shù)的進步，提高了步進電機的高性能伺服控制的設計方法與具體實現(xiàn)技術(shù)，反映了步進電機伺服控制技術(shù)的最新發(fā)展 [3] 。 論文構(gòu)成及研究 內(nèi)容 在一般的步進電機工作中，其電源均采用單極性直流電，通過對步進電機的各相繞組按恰當?shù)臅r序方式通電，就可使其執(zhí)行步進轉(zhuǎn)動。當某一相繞組通電時 相應的兩個磁極就分別形成 NS 極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對齊，從而使步進電機向前走一步。轉(zhuǎn)子的角位移大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間上與輸入的脈沖同步。只要能正確控制輸入的電脈沖數(shù)、頻率以及電機各相繞組通電的相序，即可得到所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向，通過單片機輸出一定頻率的脈沖給步進電機驅(qū)動芯片就能夠很容易地實現(xiàn) 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 對步進電機的數(shù)字化控制。 本設計采用 AT89S52 單片機以實現(xiàn)對兩相步進電機的轉(zhuǎn)速及步進量的控制。由單片機產(chǎn)生的 控制脈 沖 信號送于 步進電機驅(qū)動器，驅(qū)動器接收到脈沖信號并驅(qū)動步進電機完成啟停、正反轉(zhuǎn)等一系列動作以此驅(qū)動與電機相鏈接的由螺旋絲桿構(gòu)成的機械裝置，以實現(xiàn)切割機上下、前后的精確運動。通過矩陣鍵盤模塊實時鍵入相應數(shù)值來控制電機的啟停、前進后退和轉(zhuǎn)速，并通過 LCD 字符型液晶顯示屏顯示各個步進電機對應的運行狀態(tài)及運行檔速和步進距離。此外在 PC 機上設計一個基于 VB 語言的人機交互界面，并通過 RS232 與單片機實現(xiàn)串口的雙向?qū)崟r通信，以此在人機界面下控制完成電機相應的一系列動作，并能實時顯示與電機相對應的運行狀態(tài)等相關(guān)信息，以達到 遠程監(jiān)控的效果。 本課題的研究目的之一就是設計一套硬件系統(tǒng)較簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全，適應性強，操作方便，交互性強，可靠性高但控制精度應用要求不是很高的步進電機控制系統(tǒng)。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁 2 系統(tǒng)總體方案設計 方案的選擇與論證 1． 基于電子電路的控制 由于步進電機是受電脈沖信號控制的，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的功能來實現(xiàn)。此外，由于脈沖控制信號的驅(qū)動能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動電路。步進電機與控制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體，構(gòu)成步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。此種控制電路設計簡單，功能強大，可實 現(xiàn)完成一般步進電機的細分任務。在該方案下的系統(tǒng)主要由三部分組成：即脈沖信號的產(chǎn)生電路、脈沖信號的分配電路、功率放大驅(qū)動電路。系統(tǒng)組成如圖 所示。 脈沖控制器功率放大驅(qū)動電路環(huán)形分配器步進電機 圖 基于電子電路控制系統(tǒng) 此種方案即可作為開環(huán)控制，也可實現(xiàn)閉環(huán)控制。開環(huán)控制時，其平穩(wěn)性好，成本低，設計簡單，然而卻未能實現(xiàn)較高精度的細分。但如果采用閉環(huán)控制，就可以實現(xiàn)高精度的細分，進而可以實現(xiàn)無級調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋環(huán)節(jié)和適當?shù)奶幚恚上到y(tǒng)程序自動計 算并給出脈沖鏈數(shù)，使步進電機每一步都響應控制信號的命令，從而只要控制策略正確得當，那么步進電機就不大可能出現(xiàn)輕易丟步的現(xiàn)象。該方案大多是通過一些大規(guī)模集成電路來控制實現(xiàn)實際需要的脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，但功能相對較為單一，如需改變控制方案，那么設計電路就得需要 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 重新設計，并且還要消耗大量的元器件，使得設計成本過高。由此可見，這種方案的靈活性不高，且不利于對系統(tǒng)的升級改進。 2． 基于 PLC 的控制 PLC 也可稱為可編程控制器，是一種專門在工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)上廣泛使用的計算機。 PLC 作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用 性好、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學、可靠性和穩(wěn)定性高等優(yōu)點而被廣泛應用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中?；赑LC 的步進電機控制系統(tǒng)有 PLC 控制器、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成。該控制系統(tǒng)采用 PLC 控制器來產(chǎn)生控制脈沖，主要是通過 PLC 軟件編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構(gòu)的進給量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度，進而控制機械機構(gòu)的進給速度。環(huán)形脈沖分配器將 PLC 輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應的電磁繞組?；?PLC 控制的步進電機可以采用軟件編程方式 實現(xiàn)的環(huán)形分配器，也可采用硬件方式實現(xiàn)的環(huán)形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用 PLC 的 CPU 資源較多，特別是步進電機繞組相數(shù)大于 4 時，對于大型生產(chǎn)線應該不予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復雜些，但可以節(jié)省 PLC 資源，目前市場一般都有很多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅(qū)動電路將 PLC 輸出的控制脈沖經(jīng)過功率運放將其放大，以力求達到比較大的驅(qū)動能力，使得能夠驅(qū)動步進電機運行。 采用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號，并用 PLC 中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號，這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器，降低硬件 成本。但由于 PLC 的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應的頻率只能達到幾百赫茲，因此，受到 PLC 工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時，由于受到掃描周期的影響，相應的控制精度 也 就 隨之 降低了。 3． 基于單片機的控制 采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)采用單片機 I/O 口 接口線直接 接步進電機驅(qū)動芯片的輸入端，進而輸出控制脈沖 去控制步進電機各相 繞組的通電 。 此外， 由于單片機 具有的 強大功能 ， 因此 可 以 設計大量的外圍電路 ；設計 鍵盤作為一個外部 輸入模塊 ，設置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔 速、以及步進量的輸入 、停止等功能，采用 鍵值處理子程序 和 設置定時中斷子程序 相結(jié)合的方法 ， 調(diào)用 并執(zhí)行系統(tǒng)要求完成的一系列動作 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 的子 程序 ，進而 完成對步進電機的最佳控制， 利用 LCD 顯示器及時顯示 步進電機 正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn) 、檔 速 和進給量 等 電機運行 狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng) 軟件編程 實現(xiàn) ，通過 采用軟件編程的辦法實現(xiàn) 對控制 脈沖的分配。 本方案有以下優(yōu)點： (1)單片機軟件編程可以使復雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控 制精度的影響； (2)用軟件 編程實現(xiàn)的方式 代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性； (3)單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復位電路等外圍電路有機的組合 集成在一起 ，大大 地 提高 了 系統(tǒng)的交互性。 基于以上優(yōu)點，本 論文的 設計采用基于單片機的 步進電機的 控制方案。 系統(tǒng)各部分組成及其功能簡介 本設計的 整個系統(tǒng)組成包括單片機最小系統(tǒng) 、步進 電機驅(qū)動模塊 、基于 VB 的上位機監(jiān)控顯示模塊、 串口下載 通信 模塊 、 LGM12641BS1R 液晶 顯示 屏顯示 模塊 及 鍵 盤輸入控制 模塊等組成。 系統(tǒng)各部分組成 框圖如圖 所示 。 單片機最小系統(tǒng)的功能是作為整個控制系統(tǒng)的核心，它主要負責產(chǎn)生控制步進電機控制脈沖信號以及經(jīng)由串口接收和發(fā)送給上位機的相關(guān)控制指令，并通過單片機的軟件編寫程序代替環(huán)形脈沖分配器輸出脈沖信號以控制步進電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向。步進電機轉(zhuǎn)動的角度大小與單片機輸出的脈沖數(shù)成正比，而步進電機轉(zhuǎn)動的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進電機轉(zhuǎn)動的的方向與電機各相繞組通電的順序有關(guān)，也就是說與輸出的脈沖順序間接有關(guān)。 步進電機驅(qū)動模塊負責將單片機輸送給步進電機的信號功 率放大，從而驅(qū)動步進電機工作。而步進電機模塊也就是被控對象，主要是驅(qū)動與之鏈接的由螺旋絲桿構(gòu)成的機械裝置，以此完成系統(tǒng)的上下前后左右的直線位移運動。 串口下載模塊主要是負責實現(xiàn)計算機和單片機之間的雙向通信，并將在計算機里面編譯好的程序下載到單片機芯片當中。 LGM12641BS1R 液晶 顯示模塊主要是顯示輸入和正在運行的各個電機的轉(zhuǎn)速、電機步進量及電機的運行狀態(tài)等系統(tǒng)的實時信息。 基于 VB 的上位機監(jiān)控顯示模塊，它 主要是通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面向單片機發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)單片機與電腦的雙向即時通信，并且將控制指令 發(fā)送給單片機，單片 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 機接收到指令并調(diào)用處理電機運行的相應子程序；單片機將電機轉(zhuǎn)速狀態(tài)、步進量等狀態(tài)反饋輸送給上位機，上位機 接收到后就即刻在顯示界面顯示出來，實現(xiàn)了人機交互性的目的，這樣也就實現(xiàn)了遠程監(jiān)控的效果。 鍵盤輸入模塊，為了節(jié)省 I/O 口并得到滿足系統(tǒng)要求的鍵值， 采用矩陣鍵盤掃描方式獲取相應鍵值，通過設定的相應鍵值處理子程序，并通過子程序?qū)崿F(xiàn)完成了各個電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、電機速度及步進量的設定等功能。此外，該模塊結(jié)合定時器的中斷服務程序，完成了對各個步進電機的一系列動作的系統(tǒng)要求，力求達到對系統(tǒng)最佳的實時控制。 圖 系統(tǒng)總體框圖 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 3 系統(tǒng)的硬件設計 單片機最小系統(tǒng) AT89