【正文】 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 1 頁(yè) 共 32 頁(yè) 1 緒論 課題研究背景及意義 歷史證明，一個(gè)國(guó)家的制造業(yè)水平在很大程度上可以體現(xiàn)國(guó)家的實(shí)力，國(guó)家的發(fā)展也在很大程度上依賴于先進(jìn)的制造業(yè)，所以大多數(shù)國(guó)家都非常重視大力展制造業(yè)，二戰(zhàn)后，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、微電子技術(shù)、信息和自動(dòng)化技術(shù)有了迅速的發(fā)展，并在制造業(yè)中得到了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用，先后出現(xiàn)了數(shù)控 (NC)、計(jì)算機(jī)數(shù)控 (CNC)、柔性制造單元 (FMC)、柔性制造系統(tǒng) (FMS)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造 (CAD/CAM)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) (CIMS)等多項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)與制造模式，推著世界制造業(yè)進(jìn)入一個(gè)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(diǎn)的步進(jìn)電機(jī)就是一個(gè)重要角色，比如在數(shù)控技術(shù)中。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，國(guó)外一般稱為 Steppingmotor、Pu1Semotor 或 stepperServO，其應(yīng)用發(fā)展己有約 80 年的歷史?？梢哉f(shuō)步進(jìn)動(dòng)機(jī)天生就是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)外加控制脈沖，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或截止，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。就是說(shuō)給一個(gè)電脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度或者前進(jìn)一步，其輸出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的個(gè)數(shù)、頻率 有著嚴(yán)格的比例關(guān)系。這些關(guān)系在負(fù)載能力范圍內(nèi)不隨電源電壓、負(fù)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(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差，精度高。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)。 正是由于步進(jìn)電機(jī)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，所以成了機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增， 在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。目前世界各國(guó)都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國(guó)己經(jīng)能夠自行研制開(kāi)發(fā)適合我國(guó)數(shù)控機(jī)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(dòng)”，為“神州”系列飛船順列升空立下了汗馬功勞。雖然與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我們我國(guó)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(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 2 頁(yè) 共 32 頁(yè) 經(jīng)在我國(guó)占有非常重要的地位，并起了很大的作用。我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)在初期就是以單板機(jī)或單片機(jī)為數(shù)控核心，以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，只需一萬(wàn)元左右就可以裝 備一臺(tái)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，很適合我國(guó)中小型企業(yè)使用。采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服執(zhí)行元件，不僅可以應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控伺服系統(tǒng)，而且也可以輔以先進(jìn)的檢測(cè)和反饋元件，組成高精度全閉環(huán)數(shù)控系列，從而達(dá)到很高的加工精度。 除了在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)由于微型計(jì)算機(jī)方面的快速發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)的控制發(fā)生了革命性變革。優(yōu)點(diǎn)明顯的步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用在電子計(jì)算機(jī)的許多外圍設(shè)備中，例如打印機(jī)，紙帶輸送機(jī)構(gòu)，卡片閱讀機(jī)，主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和存儲(chǔ)器存取機(jī)構(gòu)等，步進(jìn)電機(jī)也在軍用儀器，通信和雷達(dá)設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制， 數(shù)控機(jī)床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動(dòng)繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機(jī)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(yīng)用。因而，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制的研究也就顯得重要了。 為了得到良好的控制性能，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制的研究就一直沒(méi)有停止過(guò)，許多重大的技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。上世紀(jì) 80 年代以后，由于微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。原來(lái)的步進(jìn)電機(jī)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(fù)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(shè)計(jì)電路，不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)。基 于微型單片機(jī)的控制系統(tǒng)則通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力。因此，用微型單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)己經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)代發(fā)展要求。還比如為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運(yùn)行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細(xì)分驅(qū)動(dòng)、基于單片機(jī)斬波恒流驅(qū)動(dòng)、基于單片機(jī)的直流電壓驅(qū)動(dòng)三種常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)方式，除上述三種步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案之外，目前報(bào)道的驅(qū)動(dòng)方案還有根據(jù)匯編語(yǔ)或 C 語(yǔ)一言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，在 windows 平臺(tái)下利用 VISua1C++ 提供的串行通信控件 MSColnln 來(lái)實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)通訊，最終實(shí)現(xiàn)由 pC機(jī)直接控制步電機(jī)的方法 。在 windows 平臺(tái)下和單片機(jī)配合控制步進(jìn)電機(jī) 。PLC 控制的脈沖驅(qū)動(dòng)方案等等 。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 3 頁(yè) 共 32 頁(yè) 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)了多種控制方案。 （ 1）基于電子電路控制 步進(jìn)電機(jī)受電脈沖信號(hào)控制，電脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于脈沖控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)與控制電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路組成一體，構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。此種控制電 路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)一般步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分任務(wù)。這個(gè)系統(tǒng)由三部分組成 :脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路、脈沖信號(hào)分配電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路。 此種方案即可為開(kāi)環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。開(kāi)環(huán)時(shí)，其平穩(wěn)性好，成本低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但未能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分。采用閉環(huán)控制，即能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過(guò)反饋和適當(dāng)?shù)奶幚?，自?dòng)給出脈沖鏈，使步進(jìn)電機(jī)每一步響應(yīng)控制信號(hào)的命令，從而只要控制策略正確電機(jī)不可能輕易失步。 該方案多通過(guò)一些大規(guī)模集成電路來(lái)控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對(duì)較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計(jì)，因此靈活性不高。 （ 2）基于單片機(jī)控制 采用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)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(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤作為一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)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(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)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(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用軟 件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配因。 本方案有以下優(yōu)點(diǎn) (1)單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對(duì)控制精度的影響 。(2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的設(shè)定，用同一種電路實(shí)現(xiàn)了多相步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，大大提高了接口電路的靈活性和通用性困 。(3)單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)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(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 4 頁(yè) 共 32 頁(yè) PLC 也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計(jì)算機(jī)。 PLC 作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配 套齊全、編程簡(jiǎn)單易學(xué)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)有 PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)電路組成?？刂葡到y(tǒng)采用 PLC 來(lái)產(chǎn)生控制脈沖。通過(guò) PLC 編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量，同時(shí)通過(guò)編程控制脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度。環(huán)形脈沖分配器將 PLC 輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。 PLC控制的步進(jìn)電機(jī)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(jìn) 電機(jī)繞組相數(shù)大于 4 時(shí)，對(duì)于大型生產(chǎn)線應(yīng)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(fù)雜些，但可以節(jié)省 PLC資源，目前市場(chǎng)有多種專用芯片可以選用。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路將 PLC 輸出的控制脈沖放大，達(dá)到比較大的驅(qū)動(dòng)能力，來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。 采用軟件來(lái)產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的環(huán)型脈沖信號(hào)，并用 PLC 中的定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生速度脈沖信號(hào)，這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yīng)的頻率只能達(dá)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(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時(shí)，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)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(lái)產(chǎn)生電機(jī)繞組參考電流，實(shí)現(xiàn)了具有繞組電流補(bǔ)償功能的兩相混合式步進(jìn)電機(jī) 10 細(xì)分和 50細(xì)分運(yùn)行方式，獲得了良好的系統(tǒng)運(yùn)行效果，并顯著提高了兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的分辨率，減少震動(dòng)，并增加電機(jī)運(yùn)行時(shí)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(shí)現(xiàn)。 傳統(tǒng)用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)雖然成本低廉，然而若在驅(qū)動(dòng)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的情況下，由于單片機(jī)的內(nèi)部產(chǎn)生脈沖的端口或者計(jì)算器有限，我們必然需要多個(gè)單片機(jī)，這時(shí)就涉及到多個(gè)單片機(jī)之間的傳輸協(xié)議和步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行配合等問(wèn)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(jìn)電機(jī)控制，具有較高地性價(jià)比，并可驅(qū)動(dòng)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 5 頁(yè) 共 32 頁(yè) FGPA 的原理及其發(fā)展 現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(guò)程中，以 FPGA 為代表的數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)集成技術(shù)取得了驚人的發(fā)展：現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件從最初的 1200 個(gè)可利用門，發(fā)展到 90 年代的 25 萬(wàn)個(gè)可利用門，乃至當(dāng)新世紀(jì)來(lái)臨之 際 ，國(guó)際上現(xiàn)場(chǎng)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(wàn)門的單片 FPGA 芯片，將現(xiàn)場(chǎng)可編程器件的集成度提高到一個(gè)新的水平 。 FPGA 器件的種類很多，按基本結(jié)構(gòu) 來(lái)分包括在 PAL 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上擴(kuò)展的 EPLD， CPLD 和標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(gè)部分。 FPGA 的基本特點(diǎn) 包括 ： （ 1）． 采用 FPGA 設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)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(shuō)， 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(duì)低成本進(jìn)行設(shè) 計(jì) 。 這些低成本器件具有專業(yè)應(yīng)用特性，例如嵌入式存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)