【正文】 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角存在著這種線性關系，并且在負載能力范圍內這些關系不會因電源電壓、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通過改變脈沖輸出頻率來調速，能夠快速啟動、反轉和制動。由于它不需要變換就能直接將數(shù)字脈沖信號轉換為角位移，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)設備驅動上從驅動電路的成本、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動應用，當然除了旋轉編碼器、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，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動數(shù)控機床，而在驅動設備上國內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，并寫在控制器內部。在對步進電機的細分控制技術上，國內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。在組成結構形式上，步進電機存在多種不同的結構形式。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、計算機技術及微電子技術的迅速發(fā)展有力地推動了步進電機控制技術的進步，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，反映了步進電機伺服控制技術的最新發(fā)展 [3] 。 論文構成及研究 內容 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，并與轉子形成磁路。在磁場的作用下，轉子將轉動一定的角度，使轉子齒與定子齒對齊，從而使步進電機向前走一步。轉子的角位移大小及轉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角、轉速及轉動方向，通過單片機輸出一定頻率的脈沖給步進電機驅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 步進電機驅動器，驅動器接收到脈沖信號并驅動步進電機完成啟停、正反轉等一系列動作以此驅動與電機相鏈接的由螺旋絲桿構成的機械裝置，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)串口的雙向實時通信，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動能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅動電路。步進電機與控制電路、功率放大驅動電路組成一體，構成步進電機驅動系統(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、功率放大驅動電路。系統(tǒng)組成如圖 所示。 脈沖控制器功率放大驅動電路環(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)無級調速。閉環(huán)控制是不斷地檢測轉子的位置和速度，然后通過反饋環(huán)節(jié)和適當?shù)奶幚?，由系統(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，控制步進電機的轉角進而控制伺服機構的進給量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進電機的轉動速度，進而控制機械機構的進給速度。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，雖然硬件結構稍微復雜些，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動能力，使得能夠驅動步進電機運行。 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、反轉、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 相結合的方法 ， 調用 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、反轉 、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速、轉向。步進電機轉動的角度大小與單片機輸出的脈沖數(shù)成正比，而步進電機轉動的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進電機轉動的的方向與電機各相繞組通電的順序有關，也就是說與輸出的脈沖順序間接有關。 步進電機驅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，主要是驅動與之鏈接的由螺旋絲桿構成的機械裝置，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 機接收到指令并調用處理電機運行的相應子程序；單片機將電機轉速狀態(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，并通過子程序實現(xiàn)完成了各個電機的正轉、反轉、電機速度及步進量的設定等功能。此外，該模塊結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) AT89S52 簡介 AT89S5