【正文】 中北大學(xué)計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 第 1 頁 共 32 頁 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 1 引言 課題研究的目的和意義 步進(jìn)電動機(jī)是用電脈沖信號進(jìn)行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的微電動機(jī)，它最突出 的優(yōu)點是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非?？?行 ，因此在 打印機(jī)等辦公自動化設(shè)備以及各種控制裝置等 眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。 隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動機(jī)的需求量與日俱增， 研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)具有 十分 重要的意義。 國內(nèi)外研究概況 步 進(jìn)電機(jī)是國外發(fā)明的。中國在文化大革命中已經(jīng)生產(chǎn)和應(yīng)用，例如江蘇、北京都生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，驅(qū)動電路所有半導(dǎo)體器件都是完全國產(chǎn)化的，當(dāng)時是全分立元器件構(gòu)成的邏輯運(yùn)算電路，還有電容耦合輸入的計數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。 國外在大功率的工業(yè)設(shè)備驅(qū)動上，目前基本不使用大扭矩步進(jìn)電動機(jī)，因為從驅(qū)動電路的成本，效率，噪音，加速度，絕對速度，系統(tǒng)慣量與最大扭矩比來比較，比較不劃算，還是用直流電動機(jī)，加電動機(jī)編碼器整體技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高。一些少數(shù)高級的應(yīng)用，就用空心轉(zhuǎn)杯電機(jī)，交流電機(jī)。 國外在小功率的場合，還使用步進(jìn)電 機(jī)，例如一些工業(yè)器材，工業(yè)生產(chǎn)裝備，打印機(jī)，復(fù)印件，速印機(jī)，銀行自動柜員機(jī)。國外用許多現(xiàn)代的手段將步進(jìn)電機(jī)排擠出驅(qū)動應(yīng)用，除了前面提到的旋轉(zhuǎn)編碼器，打印機(jī)還使用光電編碼帶或感應(yīng)編碼帶配合直流電動機(jī)，實現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制。 國內(nèi)過去是用大力矩步進(jìn)電動機(jī)實現(xiàn)機(jī)床數(shù)控，有實力的公司現(xiàn)在也采用交流電動機(jī)驅(qū)動數(shù)控機(jī)床，在驅(qū)動設(shè)備的主要差距，是國外對交流電動機(jī)的控制理論與工程分析和應(yīng)用能力強(qiáng)，先進(jìn)的控制理論作為軟件，寫在控制器內(nèi)部。 在衛(wèi)星、雷達(dá)等應(yīng)用場合，中國在文化大革命后期，就生產(chǎn)了力矩電機(jī)，就生產(chǎn)了環(huán)形力矩電機(jī)， 在高品質(zhì)的控制場合，有時還不能使用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，在改革開放初期，國內(nèi)就已經(jīng)基本掌握，這與交流電動機(jī)的矢量控制相中北大學(xué)計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 第 2 頁 共 32 頁 比，難度要低得多。 2 步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)簡介 步進(jìn)電機(jī)介紹 步進(jìn)電機(jī)概述 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)。通俗一點講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進(jìn)角）。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。一般步進(jìn)電 機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35%，且不累積。 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。 正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載 變化的影響。由于步進(jìn)電動機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。 本次課程設(shè)計采用的是步距角為 度的四相八拍永磁式步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)： （一）步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同對 N、 S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用 m表示。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n 表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即ABBCCDDAAB，四相八拍運(yùn)行方式即 AABBBCCCDDDAA. 步距角：對應(yīng)一個脈沖信號 ，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ =360 度（轉(zhuǎn)子齒數(shù) *運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50 齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時步距角為θ =360 度 /（ 50*4） = 度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時步距角為θ =360 度 /（ 50*8）中北大學(xué)計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 第 3 頁 共 32 頁 = 度（俗稱半步）。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝 數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。 （二）步進(jìn)電機(jī)動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語： 步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差 /步距角 *100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時應(yīng)在 15%以內(nèi)。 失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步 失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動是不能解決的。 最大空載起動頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測試條件下測得運(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，這是電機(jī)諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。 要使平 均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。 電機(jī)的共振點：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在 180250pps 之間（步距角 度）或在 400pps 左右（步距角為 度），電機(jī)驅(qū)動電壓越高，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)輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 中北大學(xué)計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 第 4 頁 共 32 頁 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時序為 AABBBCCCDDDA 時為正轉(zhuǎn)，通電時序為 DADCDCBCBABA時為反轉(zhuǎn)。 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)的工作就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動，其功用是將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或是直線位移，就是給一個脈沖信號，電動機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度或是前進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率 (f)成正比，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。 如下所示的步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進(jìn)電 機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動。圖 1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖 所示。 圖 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖 開始時，開關(guān) SB 接通電源， SA、 SC、 SD 斷開， B相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的 4號齒就和 C、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒， 5號齒就和 D、 A相繞組磁極產(chǎn)生錯 齒。 當(dāng)開關(guān) SC 接通電源， SB、 SA、 SD 斷開時，由于 C 相繞組的磁力線和 4 號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動， 4號齒和 C相繞組的磁極對齊。而 0、 3號齒和 A、 B 相繞組產(chǎn)生錯齒， 5號齒就和 A、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，中北大學(xué)計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計說明書 第 5 頁 共 32 頁 A、 B、 C、 D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著 A、 B、 C、 D 方向轉(zhuǎn)動。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖 所示。 圖 步進(jìn)電機(jī)工作時序波形圖 步進(jìn)電機(jī)的分類與選擇 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（ PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（