【正文】 步進電機設計方案1 步進電機常見的控制方案與驅(qū)動技術簡介基于電子電路的控制，步進電機受電脈沖信號控制，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動作來實現(xiàn)。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)一般步進電機的細分任務。這個系統(tǒng)由三部分組成：脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。脈沖光控器環(huán)形分配器功率放大驅(qū)動電路步進電機 基于電子電路控制系統(tǒng)此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。開環(huán)時，其平穩(wěn)性好，成本低，設計簡單，但未能實現(xiàn)高精度細分。采用閉環(huán)控制，即能實現(xiàn)高精度細分，實現(xiàn)無級調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當?shù)奶幚恚詣咏o出脈沖鏈，使步進電機每一步響應控制信號的命令，從而只要控制策略正確電機不可能輕易失步。該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對較單一，如需改變控制方案，必須需重新設計，因此靈活性不高?；赑LC的控制，PLC也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計算機。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、編程簡單易學和可靠性高等優(yōu)點而廣泛應用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。步進電機控制系統(tǒng)有PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成?？刂葡到y(tǒng)采用PLC來產(chǎn)生控制脈沖。通過PLC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，進而控制伺服機構(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繞組。PLC控制的步進電機可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用PLC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，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅(qū)動電路將PLC輸出的控制脈沖放大，達到比較大的驅(qū)動能力，來驅(qū)動步進電機。 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，相應的控制精度就降低了?；趩纹瑱C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)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動線路。由于單片機的強大功能，還可設計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實現(xiàn)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，大大提高系統(tǒng)的交互性?；谝陨蟽?yōu)點，本次設計采用基于單片機的控制方案。步進電動機上個世紀就出現(xiàn)了，它的組成、工作原理和今天的反應式步進電動機沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。上世紀80年代以后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。步進電機驅(qū)動技術指的是用步進電機驅(qū)動器的驅(qū)動級來實現(xiàn)對步進電機各相繞組的通電和斷電，同時也是對繞組承受的電壓和電流進行控制的技術。到目前為止，步進電機驅(qū)動技術通常分為單電壓驅(qū)動、單電壓串電阻驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、升頻升壓驅(qū)動和細分驅(qū)動等。單電壓驅(qū)動是通過改變電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。該驅(qū)動方式早在六十年代初期國外就已大量使用，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低；缺點是串接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗，尤其是在高頻工作時更加嚴重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜艘蟛桓叩牟竭M電機驅(qū)動。單電壓串電阻驅(qū)動是在單電壓驅(qū)動技術的基礎上為電樞繞組回路串入電阻，用以改善電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。它提高了步進電機的高頻響應、減少了電動機的共振，也帶來了損耗大、效率低的缺點。這種驅(qū)動方式目前主要用于小功率或啟動、運行頻率要求不高的場合。高低壓驅(qū)動是指不論電動機的工作頻率是多少，在導通相的前沿用高電壓供電來提高電流的上升沿斜率，而在前沿過后采用低電壓來維持繞組的電流，即采用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過改善電路的時間常數(shù)來使矩頻性能得以提高。但是使用這種驅(qū)動方式的電機，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機的輸出力矩有所下降。這種驅(qū)動方式目前在實際應用中還比較常見。為了彌補高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，七十年代中期研制出斬波電路，該電路由于采用斬波技術，使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動，流過繞組的有效電流相應增加，故電機的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而恒流斬波電路得到了廣泛應用，本文正是應用恒流斬波技術實現(xiàn)了驅(qū)動控制。為改善恒流驅(qū)動方式的低頻特性，設計一個低速時低電壓驅(qū)動，高速時高電壓驅(qū)動的電路，使其成為一個由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關穩(wěn)壓驅(qū)動電源。在低速運行時，電子控制器調(diào)節(jié)功率開關管的導通角，使線路輸出的平均電壓較低，電動機不會像在恒流斬波驅(qū)動下那樣在低速容易出現(xiàn)過沖或共振現(xiàn)象，從而避免產(chǎn)生明顯的振蕩。當運行速度逐漸變快時，平均電壓漸漸提高以提供給繞組足夠的電流。調(diào)頻調(diào)壓線路性能優(yōu)于恒電壓和恒電流線路，但實際運行中需要針對不同參數(shù)的電機，相應調(diào)整其輸出電壓與輸入頻率的特性。細分驅(qū)動是指在每次脈沖切換時，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是只改變相應繞組中電流的一部分，電動機的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細分驅(qū)動時，繞組電流不是一個方波而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除。比如：電流分成n個臺階，轉(zhuǎn)子則需要n次才轉(zhuǎn)過一個步距角，即n細分細分驅(qū)動最主要的優(yōu)點是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機的定位精度、啟動性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩：其次，減弱或消除了步進電機的低頻振動，降低了步迸電機在共振區(qū)工作的幾率?？梢哉f細分驅(qū)動技術是步進電動機驅(qū)動與控制技術的一個飛躍。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)子齒與定子齒對其，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)向，通過單片機很容易實現(xiàn)對步進電機的數(shù)字控制。本設計采用AT89S52單片機實現(xiàn)對兩相步進電機的轉(zhuǎn)速控制。由單片機產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)過脈沖分配器后分解出對應的四相脈沖，分解出的四相脈沖經(jīng)驅(qū)動電路功率放大后驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動。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，可靠性高的步進電機控制系統(tǒng)。40河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設計/論文 2 步進電機概述步進電動機的種類很多，從廣義上講，步進電機的類型分為機械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點電磁式步進電機可分為反應式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應式和混合式步進電機。(Variable Reluctance，簡稱VR)反應式步進電機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應式步進電機有單段式和多段式兩種類型；(Permanent Magnet，簡稱PM)永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應式)，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電；(Hybrid，簡稱HB)混合式步進電機綜合了反應式和永 磁式兩者的優(yōu)點?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅(qū)動用的交流同步機設計的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機也能做步進增量運動。由于能夠開環(huán)運行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機在工業(yè)領域中得到廣泛應用。由于本設計的設計目的更注重整個系統(tǒng)的有機結(jié)合，所以只采用反應式步進電機。 步進電機在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場，該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。因此，控制電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使電機旋轉(zhuǎn)。電機將電能轉(zhuǎn)換成機械能，步進電機將電脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運動。每個脈沖所產(chǎn)生的運動是精確的，并可重復，這就是步進電機為什么在定位應用中如此有效的原因。通過電磁感應定律我們很容易知道激勵一個線圈繞組將產(chǎn)生一個電磁場，分為北極和南極，定子產(chǎn)生的磁場使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到與定子磁場對直。通過改變定子線圈的通電順序可使電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動。兩相電機的單相通電步進順序。在第1步中，兩相定子的A相通電，因異性相吸，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示位置。當A相關閉、B相通電時，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)90176。在第3步中，B相關閉、A相通電，但極性與第1步相反，這促使轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)90176。在第4步中，A相關閉、B相通電，極性與第2步相反。重復該順序促使轉(zhuǎn)子按90176。的步距角順時針旋轉(zhuǎn)。兩相電機的雙相通電步進順序，“單相激勵”步進。更常用的步進方法是“雙相激勵”，其中電機的兩相一直通電。但是，一次只能轉(zhuǎn)換一相的極性。在第1步中，兩相定子的A相和B相同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step1位置,。 兩相電機的單相通電步進順序在第2步中，兩相定子的A相關閉，而B和a相（此時的a相通電極性與第1步A相反）