【正文】 he natural resonance frequency, motor torque decreasing with speed increasing. These disadvantages limit step motor39。s vibration and noise at low speeds but also reduces probability of resonance. Current tracking PWM technology can maintain constant torque within wide speed range. Output phase current that can meet the need of III different customer and motor. The power stage of this driver uses NMOS intelligent power module that provides high reliability. This microstepping driver reduce vibration and noise of step has small size, low cost and high reliability. KeyWords： Hybrid stepper motor Microstepping driver PWM IV 目 錄 第 1 章 緒 論 ................................................... 1 步進(jìn)電機(jī)概述 ................................................ 1 步進(jìn)電機(jī)特怔 ................................................ 2 步進(jìn)電機(jī)國內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) ...................................... 3 國內(nèi)發(fā)展趨勢(shì) ........................................... 3 國外發(fā)展趨勢(shì) ........................................... 5 主要研究內(nèi)容 ................................................ 5 第 2 章 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 ....................................... 7 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) .............................................. 7 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 .......................................... 7 步進(jìn)電機(jī)的控制方法 .......................................... 9 脈寬調(diào)制技術(shù)（ PWM）的基本原理 .......................... 9 SPWM 的調(diào)制方式 ....................................... 12 電流追蹤型 PWM 控制 .................................... 13 PID 控制算法的應(yīng)用及設(shè)計(jì) ................................... 14 PID 控制原理 .......................................... 14 數(shù)字 PID 的控制算法 .................................... 16 PID 各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響 ................................ 17 本章小結(jié) ................................................... 17 第 3 章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) .............................. 19 步進(jìn)電機(jī)的控制電路 ......................................... 21 AVR 單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn) ...................................... 21 AVR 單片機(jī)的特性 ...................................... 21 AVR的結(jié)構(gòu)框圖 ........................................ 23 V 單片機(jī)電路設(shè)計(jì) ........................................ 24 D/A 轉(zhuǎn)換電路 ............................................... 26 TLC7528 的特點(diǎn) ........................................ 26 TLC7528 的時(shí)序圖 ...................................... 27 D/A 轉(zhuǎn)換的原理圖 ...................................... 27 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路 ......................................... 28 D 觸發(fā)器 .............................................. 28 D 觸發(fā)器電路 .......................................... 29 驅(qū)動(dòng)電路原理圖 ........................................ 29 信號(hào)的放大電路 ............................................. 30 步進(jìn)電機(jī)的檢測(cè)電路 ......................................... 31 TL082 的特點(diǎn) .......................................... 31 TL082 引腳功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 ............................ 31 檢測(cè)電路原理圖 ........................................ 33 H 橋電路 ................................................... 33 H 橋簡介 .............................................. 33 H 橋電路原理圖 ........................................ 36 本章小結(jié) ................................................. 36 第 4 章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) .............................. 37 軟件設(shè)計(jì)的基本原則 ......................................... 37 主程序設(shè)計(jì) ................................................. 38 D/A 轉(zhuǎn)換電路流程圖 ..................................... 39 PID 子程序流程圖 ...................................... 40 中斷服務(wù)程序 ......................................... 41 本章小結(jié) ................................................... 41 總 結(jié) .......................................................... 42 致 謝 .......................................................... 43 參考文獻(xiàn) ........................................................ 44 附錄 1：高精度步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖（ 1） ....................... 46 VI 高精度步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖 （ 2） ............................... 47 1 第 1 章 緒 論 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)或階躍電機(jī) ， 它是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)受脈沖信號(hào)控制，它的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比，所以電機(jī)的線速度或轉(zhuǎn)速也與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低就可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。 步進(jìn)電機(jī)有多種不同的結(jié)構(gòu)，主要類型可分為反 應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)。我國步進(jìn)電機(jī)的研究及制造始十上世紀(jì) 50 年代后期，對(duì)步進(jìn)電機(jī)精確模型也做了大量研究工作，如今，各種步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器作為 產(chǎn)品被廣泛利用。 步進(jìn) 電機(jī)在輸入脈沖信號(hào)時(shí)，可以依輸入的脈沖數(shù)量做固定角度的旋轉(zhuǎn)而得 到靈活的角度控制 (位置控制 )。 永磁式、混合式步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下 (無脈沖信號(hào)輸入時(shí) )，仍具有勵(lì)磁保持力矩，故即使不靠機(jī)械式的剎車，也能做到停止位置的保持。 （ 3） 輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。通過改善驅(qū)動(dòng)器的性 能，可以減小運(yùn)行中失步的可能。每來一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子都從新的轉(zhuǎn)矩曲線的躍變中獲得一次能量的補(bǔ)充，這種能量越大，振蕩越厲害。步進(jìn)電機(jī)本體和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路兩者密不可分地組成步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)。最初使用的末級(jí)功放兀件是可控硅。近 4 年來隨著大功率晶體管的發(fā)展一般不再采用。 不同形式的功率放大電路對(duì)電機(jī)性能的影響各不相同，這種不同形式的功率放大電路的差 別主要是功率放大電路中不同的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)。它的特點(diǎn)是改善了電流波形，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性很好，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率得到很大的提高。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路在七十年代中期由美國學(xué)者首次提出，它通過控制電動(dòng)機(jī)各相繞組中電流的大小和比例，使步距角減小到原來的幾分之一至幾十分之一。目前，國外對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)的一個(gè)重要發(fā)展方向是大量采用專用芯片，結(jié)果是大大縮小驅(qū)動(dòng)器的體積，明顯提高了整機(jī)的性能。目前由十集成芯片受到耐壓、電流容量的限制，一般只能用十小功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集成化的驅(qū)動(dòng)電路。 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)是一種十分流行的步進(jìn)電機(jī) ，它即具有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的高分辨率，每轉(zhuǎn)步數(shù)比較多的 特點(diǎn) 。 該芯片具備以下特點(diǎn) : 1． 士 連續(xù)輸出電流 2． 36V 最大輸出電壓 3． 內(nèi)部 PWM 電流控制 4． 3 位非線性數(shù)模轉(zhuǎn)換器 5． 快、混合和慢電流衰減模式 6． 內(nèi)部的續(xù)流二極管 7． 內(nèi)部過熱關(guān)斷和欠壓保護(hù)電路 7 第 2 章 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 混合式步進(jìn)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)主要由定子、轉(zhuǎn)子和機(jī)殼構(gòu)成。按相數(shù)的多少分為不同結(jié)構(gòu)的混合式步進(jìn)電機(jī)，常見的是 2相 、 3相和 5 相混合式步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)的工作原理就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。該步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)四相感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其定子的每一相都有一個(gè)電極，每個(gè)電極都只有一個(gè)齒，即磁極本身，故四相步進(jìn)電機(jī)共有四對(duì)磁極共 8 個(gè)齒；其轉(zhuǎn)子有 6個(gè)齒，分別為稱為0、 5 齒。而 0、 3號(hào)齒和 A、 B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5 號(hào)齒就和 A、 D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。從上面分析看出 ，該四相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距，需要四拍操作。 對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，如果它的轉(zhuǎn)子數(shù)為 Z，它的