【正文】 1 1 緒 論 選題背景 步進(jìn)電機(jī)是一種通過電脈沖信號(hào)控制相繞組電流實(shí)現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)電元件，與其他類型電機(jī)相比具有易于開環(huán)精確控制、無積累誤差等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是 DSP 芯片的出現(xiàn)，開創(chuàng)了步進(jìn)電機(jī)控制的新局面。用 DSP 控制的步進(jìn)電機(jī)不僅減小了控制系統(tǒng)的體積、簡化了電路，同時(shí)進(jìn)一步提高了電機(jī)控制的精度和控制系統(tǒng)的智能化，從而逐步實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的嵌入式。基于 DSP 的步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)在九十年代時(shí)期得到了較大發(fā)展，主要應(yīng)用在工業(yè)、航天、機(jī)器人、精密 測量等領(lǐng)域。數(shù)控機(jī)床、跟蹤衛(wèi)星用電經(jīng)緯儀在采用了步進(jìn)電機(jī)技術(shù)后，大大提高了控制與測量精度，這樣就使步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的應(yīng)用前景更加廣闊。 DSP 控制器的技術(shù)水平主要體現(xiàn)在三個(gè)層面：硬件方案、核心控制算法以及應(yīng)用軟件功能。國內(nèi)步進(jìn)電機(jī)控制器所采用的硬件平臺(tái)和國外產(chǎn)品相比并沒有太大差距，有的甚至更加先進(jìn)。與歐美發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)控制器的差距主要體現(xiàn)在控制算法和二次開發(fā)平臺(tái)的易用性方面。以四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行部件的控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，它不僅具有開放性、靈活性、可靠性并且具有較高的精度。它可以作為機(jī) 電一體化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，滿足了現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)的需要。同時(shí)本系統(tǒng)也可以作為數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)工具。 步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用 步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展 步進(jìn)電機(jī)也稱脈沖電機(jī)或階躍電機(jī)，國外一般稱為 Step motor 或 Stepping motor，Pulse motor,Stepper servo， Stepper 等等。 目前，隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)以及電動(dòng)機(jī)本身的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)電機(jī)之間分類的界面越來越模糊。步進(jìn)電機(jī)的工作過程為，每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，則改變一次勵(lì)磁狀態(tài)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度， 若沒有脈沖信號(hào)輸入，則轉(zhuǎn)子保持在某一位置靜止不動(dòng)。因此，步進(jìn)電機(jī)是一種受電脈沖信號(hào)控制的無刷式直流電機(jī)，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn) 2 速與控制頻率同步的同步電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)工作的機(jī)理是基于最基木的電磁鐵作用，其原始模型起源于 1830 年至1860 年間。 1870 年前后開始以控制為目的進(jìn)行嘗試，應(yīng)用于氫弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電機(jī)。此后，在電話自動(dòng)交換機(jī)中廣泛使用了步進(jìn)電機(jī)。不久又在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中廣泛使用。 20 世紀(jì) 60 年代后期，步進(jìn)電機(jī)本體方面隨著永磁材料的發(fā)展，各種實(shí)用性 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展則推動(dòng)了步進(jìn)電機(jī)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。在近 30 年間，步進(jìn)電機(jī)迅速的發(fā)展并成熟起來。從發(fā)展趨向來講，步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)能與直流電機(jī)、異步電機(jī)，以及同步電機(jī)并列，從而成為電動(dòng)機(jī)的一種基本類型。 我國步進(jìn)電機(jī)的研究及制造起始與上世紀(jì) 50 年代后期。從 50 年代后期到 60 年代后期，主要是高等院校和科研機(jī)構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主。 70 年代初期，步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)和研究有所突破。除反應(yīng)在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面的長足進(jìn)步外，對反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)本體的設(shè)計(jì)研究也發(fā) 展到一個(gè)較高水平。 70 年代中期至 80 年代中期為產(chǎn)品發(fā)展階段，新品種高性能電機(jī)不斷被開發(fā)。自 80 年代中期以來，由于對步進(jìn)電機(jī)精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路作為產(chǎn)品被廣泛使用。 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一。由于其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、定位方便、易于控制、無積累誤差和計(jì)算機(jī)接口方便等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。它最大的應(yīng)用是在數(shù)控機(jī)床的制造中，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不需要 A／ D 轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行元件。早期的步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達(dá)。隨著步進(jìn)電機(jī)制造技術(shù)及電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠單獨(dú)在系統(tǒng)上進(jìn)行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用作數(shù)控銑床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在這個(gè)應(yīng)用中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以同時(shí)完成兩個(gè)工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進(jìn)電機(jī)也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機(jī)同步系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)也可以并用在其他的機(jī)械上比如作為自動(dòng)送料機(jī)中的馬達(dá)，作為通用的軟盤驅(qū)動(dòng)器 的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機(jī)和繪圖儀中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化 3 技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 課題研究內(nèi)容 本課題的研究內(nèi)容是使用 DSP 控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，構(gòu)成控制系統(tǒng)。其主要內(nèi)容是： 了解 DSP（ Digital Signal Processor）和步進(jìn)電機(jī)的 組成和原理。 完成 DSP 控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，其中主要包括： （ 1) 設(shè)計(jì) DSP 控制步進(jìn)電機(jī)的硬件電路，并采用繪圖軟件完成電 路圖的繪制； （ 2) 采用 C 語言完成步進(jìn)電機(jī)控制的軟件設(shè)計(jì)； （ 3) 在 CCS 開發(fā)環(huán)境下完成步進(jìn)電機(jī)控制的軟硬件調(diào)試。 4 2 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類 步進(jìn)電機(jī)分為以下三大類： 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) (Variable Reluctance，簡稱 VR) 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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(dòng)態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式 和多段式兩種類型。 永磁式步進(jìn)電機(jī) (Permanent Mag，簡稱 PM) 永 磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)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(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應(yīng)式 )：但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電。 混合式步進(jìn)電機(jī) (Hybrid，簡稱 HB) 混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)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(diǎn)，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(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢，其自身阻 尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)，噪音低、低頻振動(dòng)小?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)在某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。但混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜．成本較高。 四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 四相步進(jìn)電機(jī)的基本機(jī)構(gòu)如圖 。四相步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分。定子一般由硅鋼片疊成，定子上所繞的線圈稱為勵(lì)磁線圈。對于如圖 所示的繞線方式， A、 A’引線形成一相， B、 B’引線形成一相 ,C、 C’引線形成一相 D、 D’引線形成一相。當(dāng)給某相線圈通電時(shí)將形成 8 個(gè)磁極。這樣，對于 四相八級步進(jìn)電機(jī)共有 A、 A’， B、 B’，C、 C’和 D、 C’四個(gè)繞組、 8 個(gè)磁極。每個(gè)定子磁極內(nèi)表面都分布著小齒，它們大小相 5 同，間距相同。 轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制作成的。其外表面也均勻分布著小齒，這些小齒與定子磁極上的小齒相同，形狀相似。 由于小齒的齒距相同，所以不管是定子還是轉(zhuǎn)子，它們的齒距角都可以由下式 Z 2 /Z??? （ ） 來計(jì)算。式中， Z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。 圖 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 在步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)中必定有錯(cuò)齒和對齒的存在如圖 所示。我們把定子小齒和轉(zhuǎn)子小齒對齊的狀態(tài)稱為對齒；把定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒不對齊的狀態(tài)稱為錯(cuò)齒。錯(cuò)齒的存在是步進(jìn)電機(jī)能夠旋轉(zhuǎn)的前提條件。如果給處于錯(cuò)齒狀態(tài)的相線圈通電， 轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，如果磁極相異，則轉(zhuǎn)子向完全對齒方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如果磁極性相同，則轉(zhuǎn)子向完全錯(cuò)齒方向轉(zhuǎn)動(dòng)。假設(shè)將電機(jī)的轉(zhuǎn)子置于線圈所產(chǎn)生的磁場中，便會(huì)受到磁場的作用而產(chǎn)生與磁場方向一致的力，轉(zhuǎn)子便開始轉(zhuǎn)動(dòng)，直到轉(zhuǎn)子的磁場和線圈的磁場方向一致為止。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)就是基于這一原理實(shí)現(xiàn)的。 6 定子小齒 轉(zhuǎn)子小齒 （ a）對齒 （ b）錯(cuò)齒 圖 定子齒與轉(zhuǎn)子齒的磁導(dǎo)現(xiàn)象 按如下四個(gè)步驟循環(huán)通電： (1) A’A相通電，電流方向?yàn)?A’—A； (2) B’B相通電，電流方向?yàn)?B’—B； (3) C’C相通電，電流方向?yàn)?C’—C； (4) D’D相通電，屯流力向?yàn)?D’—D。 可以分析出，在每一次通電過程中，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子均相對上次通電時(shí)的平衡位置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了一個(gè)位移角。對繞組通電一次的操作稱為一拍，根據(jù)上面給出的算式每給電機(jī)一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)將轉(zhuǎn)過 15 度，既轉(zhuǎn)過一圈則需要， 360/15=24 個(gè)脈沖。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式 四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的 不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍 三種工作方式。具體如下： 單四拍工作方式 四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)如果按照 ABCDA 循環(huán)通電工作，就稱這種工作方式為單四拍工作方式，其中的 “單 ”指的是每次對一個(gè)相的通電； “四拍 ”指的是磁場旋轉(zhuǎn)一周需要換相四拍，以單四拍工作方式工作的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其步距角按 下 式 計(jì)算 。 7 NZ2NZN ??? ?? () 式中， N 為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作拍數(shù)， Z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。 在用單四拍方式工作時(shí) ，各相通電的波形如圖 所示。其中電壓波形是方波；而電流波形則是由兩段指數(shù)曲線組成。這是因?yàn)槭懿竭M(jìn)電機(jī)繞組電感的影響。當(dāng)繞組通電時(shí)，電感阻止電流的快速變化；當(dāng)繞組斷電時(shí)，電感又阻止電流的突然變小。 雙四拍工作方式 四相步進(jìn)電機(jī)電動(dòng)機(jī)各相除了采用單四拍方式通電外，還可以有其他種通電方式。雙四拍就是其中之一。 雙四拍的工作方式是：每次對兩相同時(shí)通電，既所謂的 “雙 ”；磁場旋轉(zhuǎn)一周需要換相四次，既所謂的 “四拍 ”。在雙四拍工作方式中，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)的通電的順序ABBCCDDAAB；反轉(zhuǎn)的通電順序 為： BAADDCCBBA。因?yàn)樵陔p四拍的工作方式中電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)的位移角是一樣的所以它的步距角與單四拍時(shí)一樣，仍然用式（ 21）求的。用雙四拍方式運(yùn)行時(shí)，各相通電的波形如圖 所示。由圖可見，每一拍中，都有兩相通電，每一相通電時(shí)間都持續(xù)兩拍。所以，雙四拍通電的時(shí)間長，消耗的電功率大，當(dāng)然獲得的電磁矩也大，同時(shí)雙四拍的工作方式還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這就是不易產(chǎn)生失步。這是因?yàn)楫?dāng)兩相通電后，兩相繞組中的電流幅值不同，產(chǎn)生的電磁力作用方向也不同。所以，其中一相產(chǎn)生的電磁力起了阻尼作用。繞組中電流也大，阻尼作用就越 大。這有利于電機(jī)在低頻區(qū)工作。而單四拍由于是單相通電勵(lì)磁，不會(huì)產(chǎn)生阻尼作用，因此當(dāng)工作在低頻區(qū)時(shí)，由于通電時(shí)間長而使能量過大，易產(chǎn)生失步現(xiàn)象。 八拍工作方式 八拍工作方式是四相步進(jìn)電機(jī)的另一種通電方式。這是單四拍與雙四拍交替使用的一種方法，也稱作單雙八拍法。步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋?AABBBCCCDDDAA；反轉(zhuǎn)通電順序是 AADDDCCCBBBAA?？梢姶艌鲂D(zhuǎn)一周；通電需要換相八次（既八拍），這是與單四拍和雙四拍最大的區(qū)別。在這種方式工作下，電機(jī)的步距角要比 單四拍和雙四拍小一半，所以步進(jìn)精度要提高一倍。八拍工作時(shí)，各相通電的電壓波形如圖 所示?？梢钥闯觯谑褂冒伺墓ぷ鞣绞綍r(shí)，有的四拍是單相通電，有的四拍是雙 8 向通電。 經(jīng)過上面的介紹我們知道根據(jù)四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。其中單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖 a、 b、 c 所示： a. 單四拍 b. 雙四拍 c 八拍 圖 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 三種工作方式的比較 據(jù)上面的介紹和分析，三種通電 方式的優(yōu)缺點(diǎn)見下表 21 表 21 三種工作方式的比較 工作方式 單四拍 雙四拍 八拍 步進(jìn)周期 T T T 每相通電時(shí)間 T 2T 3T 相電流 小 較大 最大 高頻性能 差 較好 較好 轉(zhuǎn)矩 小 中 大 電磁阻尼 小 較大 較大 振蕩 易 較易 不易 功耗 小 大 中 9 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特征 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的矩角特性 步進(jìn)電機(jī)單步運(yùn)行時(shí)的矩角特性如圖 所示，從圖中可以看出，假設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T1，則改變通電狀態(tài)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩的值大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子加速，朝 +θ 方向運(yùn)動(dòng)，達(dá)到新的平衡點(diǎn) 2Q ’處。如果開始負(fù)載轉(zhuǎn)矩相當(dāng)大，如圖中 T2，則改變通電狀態(tài)時(shí)，由于新的矩角角特性曲線 2上的點(diǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩的值小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T2，因此轉(zhuǎn)子不能向 +θ方向新穩(wěn)定點(diǎn) 2Q 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，反