【正文】 基于單片機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)論文 1 緒 論 11 引言 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 Pulse motor 或 Stepper servo 其應(yīng)用發(fā)展已有約 80[1] 正是由于步進(jìn)電機(jī)具有突出的優(yōu)點(diǎn)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 [2]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)已經(jīng)能夠自行研制開發(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)近年來由于微型計(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 [3]因而對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制的研究也就顯得尤為重要了 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有停止過許多重大的技術(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)則通過軟件來控制步進(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)言或 C 語(yǔ)言進(jìn)行 軟件開發(fā)通過串行或并行通行的方式實(shí)現(xiàn)ｐｃ機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)通信最終實(shí)現(xiàn)由 PC 機(jī)直接控制步進(jìn)電機(jī)的方法 [45] 但是在有些應(yīng)用場(chǎng)合并不需要高精度的控制而是需要在滿足一般工作要求的情況下盡量使控制系統(tǒng)做到系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低功能較為齊全適應(yīng)性強(qiáng)電機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)指示一目了然操作方便系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)可靠性高等要求本論文就是采用這個(gè)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)一般步進(jìn)電機(jī)控制器都用硬件實(shí)現(xiàn)雖然電路可以做到了高集成度可價(jià)格較貴功能相對(duì)較單一并且設(shè)計(jì)要求有所改變就得改變整個(gè)硬件電路比較麻煩而采用單片機(jī)的軟件和硬件結(jié)合進(jìn)行控制 運(yùn)用其強(qiáng)大的可編程和運(yùn)算功能充分利用單片機(jī)的各種資源能靈活的對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)其不同模式步數(shù)正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速等控制如果需改變控制要求一般只需改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境并且在本設(shè)計(jì)中利用動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)把顯示電路和鍵盤電路有機(jī)的結(jié)合起來能做到一定的人機(jī)交換而且為了抗干擾提高可靠性具有一定的應(yīng)用價(jià)值 [67] 12 步進(jìn)電機(jī)常見的控制方案與驅(qū)動(dòng)技術(shù)簡(jiǎn)介 121 常見的步進(jìn)電機(jī)控制方案 1 基于電子電路的控制 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)電路系統(tǒng)組成如圖 11所示 此種方案即可為開環(huán)控制也可閉環(huán)控制開環(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反饋和適當(dāng)?shù)奶幚碜詣?dòng)給出脈沖鏈?zhǔn)共竭M(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 [4]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(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 PLC 的控制 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)電路組成控制系統(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(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)通過編程控制脈沖頻率來 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)能力來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 采用軟件來產(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 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 3 基于單片機(jī)的控制 采用單片機(jī)來控制步進(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 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 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 [8] 基于以上優(yōu)點(diǎn)本次設(shè)計(jì)采用基于單片機(jī)的控制方案 122 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上個(gè)世紀(jì)就出現(xiàn)了它的組成工作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒有什么本質(zhì)區(qū)別也是依靠氣隙間的磁導(dǎo)變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩上世紀(jì) 80 年代以后由于廉價(jià)的微型計(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步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)指的是用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)級(jí)來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通電和斷電同時(shí)也是對(duì)繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制的技術(shù)到目前為止步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)通常分為單電壓驅(qū)動(dòng)單電壓串 電阻驅(qū)動(dòng)高低壓驅(qū)動(dòng)斬波恒流驅(qū)動(dòng)升頻升壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等 [9] 單電壓驅(qū)動(dòng)是通過改變電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性該驅(qū)動(dòng)方式早在六十年代初期國(guó)外就已大量使用它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低缺點(diǎn)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(shí)更加嚴(yán)重因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)要求不高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)