【正文】 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 1 頁 共 32 頁 1 緒論 課題研究背景及意義 歷史證明，一個國家的制造業(yè)水平在很大程度上可以體現(xiàn)國家的實力，國家的發(fā)展也在很大程度上依賴于先進的制造業(yè)，所以大多數(shù)國家都非常重視大力展制造業(yè)，二戰(zhàn)后，計算機控制技術(shù)、微電子技術(shù)、信息和自動化技術(shù)有了迅速的發(fā)展，并在制造業(yè)中得到了愈來愈廣泛的應用，先后出現(xiàn)了數(shù)控 (NC)、計算機數(shù)控 (CNC)、柔性制造單元 (FMC)、柔性制造系統(tǒng) (FMS)、計算機輔助設計與制造 (CAD/CAM)、計算機集成制造系統(tǒng) (CIMS)等多項先進制造技術(shù)與制造模式，推著世界制造業(yè)進入一個嶄 新的階段川。而在這些技術(shù)環(huán)節(jié)中，具有很多優(yōu)點的步進電機就是一個重要角色，比如在數(shù)控技術(shù)中。 步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機，國外一般稱為 Steppingmotor、Pu1Semotor 或 stepperServO，其應用發(fā)展己有約 80 年的歷史?？梢哉f步進動機天生就是一種離散運動的裝置，是純粹的數(shù)字控制電動機，步進電機驅(qū)動器通過外加控制脈沖，控制步進電動機各相繞組的導通或截止，從而使電動機產(chǎn)生步進運動。就是說給一個電脈沖信號，電動機就轉(zhuǎn)過一個角度或者前進一步，其輸出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的個數(shù)、頻率 有著嚴格的比例關(guān)系。這些關(guān)系在負載能力范圍內(nèi)不隨電源電壓、負載大小、環(huán)境條件等的變化而變化。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，同時步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高。步進電動機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)控制等，這是步進電動機最突出的優(yōu)點。 正是由于步進電機具有突出的優(yōu)點，所以成了機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增， 在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應用。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國己經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國數(shù)控機床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。其中華中數(shù)控系統(tǒng)解決了“五軸聯(lián)動”，為“神州”系列飛船順列升空立下了汗馬功勞。雖然與發(fā)達國家相比，我們我國的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，但已中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 2 頁 共 32 頁 經(jīng)在我國占有非常重要的地位，并起了很大的作用。我國數(shù)控系統(tǒng)在初期就是以單板機或單片機為數(shù)控核心，以步進電機為執(zhí)行元件，由于其結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，只需一萬元左右就可以裝 備一臺經(jīng)濟型數(shù)控機床，很適合我國中小型企業(yè)使用。采用步進電機作為伺服執(zhí)行元件，不僅可以應用于經(jīng)濟型數(shù)控伺服系統(tǒng)，而且也可以輔以先進的檢測和反饋元件，組成高精度全閉環(huán)數(shù)控系列，從而達到很高的加工精度。 除了在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛的應用，近年來由于微型計算機方面的快速發(fā)展，使步進電機的控制發(fā)生了革命性變革。優(yōu)點明顯的步進電機被廣泛應用在電子計算機的許多外圍設備中，例如打印機，紙帶輸送機構(gòu)，卡片閱讀機，主動輪驅(qū)動機構(gòu)和存儲器存取機構(gòu)等，步進電機也在軍用儀器，通信和雷達設備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制， 數(shù)控機床，電子鐘，醫(yī)療設備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應用。因而，對于步進電機控制的研究也就顯得重要了。 為了得到良好的控制性能，對步進電機的控制的研究就一直沒有停止過，許多重大的技術(shù)得以實現(xiàn)。上世紀 80 年代以后，由于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。原來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?；?于微型單片機的控制系統(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。還比如為了適應一些領域中高精度定位和運行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進電機細分驅(qū)動技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細分驅(qū)動、基于單片機斬波恒流驅(qū)動、基于單片機的直流電壓驅(qū)動三種常見驅(qū)動方式，除上述三種步進電機的驅(qū)動方案之外，目前報道的驅(qū)動方案還有根據(jù)匯編語或 C 語一言進行軟件開發(fā)，在 windows 平臺下利用 VISua1C++ 提供的串行通信控件 MSColnln 來實現(xiàn) PC 機與步進電機控制器之間的數(shù)據(jù)通訊，最終實現(xiàn)由 pC機直接控制步電機的方法 。在 windows 平臺下和單片機配合控制步進電機 。PLC 控制的脈沖驅(qū)動方案等等 。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 3 頁 共 32 頁 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在步進電機的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了多種控制方案。 （ 1）基于電子電路控制 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。 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?，自動給出脈沖鏈，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。 （ 2）基于單片機控制 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)脈沖的分配因。 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困 。(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。 （ 3）基于 PLC 的控制 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 4 頁 共 32 頁 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。 （ 4）基于 FPGA 的控制 2020 年有人利用 Xilinx 公司生產(chǎn)的 CPLD 器件 XC9536 為核心來產(chǎn)生電機繞組參考電流，實現(xiàn)了具有繞組電流補償功能的兩相混合式步進電機 10 細分和 50細分運行方式，獲得了良好的系統(tǒng)運行效果，并顯著提高了兩相混合式步進電機的分辨率，減少震動，并增加電機運行時的穩(wěn)定性川。由于采用 CPLD/FPGA，極大減少了分立元件的使用，除了少數(shù)接口電路以外，大多數(shù)邏輯均在片內(nèi) 實現(xiàn)。 傳統(tǒng)用單片機控制步進電機雖然成本低廉，然而若在驅(qū)動多個步進電機的情況下，由于單片機的內(nèi)部產(chǎn)生脈沖的端口或者計算器有限，我們必然需要多個單片機，這時就涉及到多個單片機之間的傳輸協(xié)議和步進電機的運行配合等問題，另外，成本也隨之上升。而 FPGA 使用靈活，可方便地與數(shù)字控制器和模擬控制器連接，直接用于步進電機控制，具有較高地性價比，并可驅(qū)動多個步進電機。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 5 頁 共 32 頁 FGPA 的原理及其發(fā)展 現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA（ Field Programmable Gate Array） 器件是 Xilinx 公司1985 年首家 推出的，它是一種新型的高密度 PLD，采用 CMOSSRAM 工藝制作。 第一片現(xiàn)場可編程邏輯器件（ FPGA）至今， FPGA 已經(jīng)歷了十幾年的發(fā)展歷史。在這十幾年的發(fā)展過程中，以 FPGA 為代表的數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場集成技術(shù)取得了驚人的發(fā)展：現(xiàn)場可編程邏輯器件從最初的 1200 個可利用門，發(fā)展到 90 年代的 25 萬個可利用門，乃至當新世紀來臨之 際 ，國際上現(xiàn)場可編程邏輯器件的著名廠商 Altera 公司、Xilinx 公司又陸續(xù)推出了數(shù)百萬門的單片 FPGA 芯片，將現(xiàn)場可編程器件的集成度提高到一個新的水平 。 FPGA 器件的種類很多，按基本結(jié)構(gòu) 來分包括在 PAL 結(jié)構(gòu)基礎上擴展的 EPLD， CPLD 和標準門陣列邏輯單元型的 FPGA 器件。 FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（ Logic Cell Array）這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB（ Configurable Logic Block） 、輸出輸入模塊 IOB（ Input Output Block）和內(nèi)部連線（ Interconnect）三個部分。 FPGA 的基本特點 包括 ： （ 1）． 采用 FPGA 設計 ASIC 電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片 ； （ 2）． FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC電路的中試樣片 ； （ 3）． FPGA 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和 I/O引腳 ； （ 4）． FPGA 是 ASIC 電路中設計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一 ； （ 5）． FPGA 采用高速 CHMOS 工藝，功耗低，可以與 CMOS、 TTL 電平兼容 。 可以說， FPGA 芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。目前 FPGA 的品種很多，有 Xilinx 的 XC 系列、 TI公司的 TPC 系列、 Altera 公司的FIEX 系列 及 Altera Cyclone 系列等 。而且 Altera Cyclone 系列 FPGA 從根本上針對低成本進行設 計 。 這些低成本器件具有專業(yè)應用特性，例如嵌入式存儲器、外部存儲