【文章內(nèi)容簡介】 9. 步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應的措施。 10. 步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。 11. 步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。如打印機，繪圖儀、數(shù)控機床切割。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應用。 步進電機的綜述 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（ VR）、永磁式步進電機（ PM）、混合式步進電機（ HB）和單相式步進電機等。 反應式步進電動機采用高導磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當小，一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為 度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，但動態(tài)性能相對較差。 永磁式步進電機轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，它的出力大，動態(tài)性能好，但步距角一般比較大。一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為 度 或 15 度。 混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 度而五相步進角一般為 度。這種步進電機的應用最為廣泛，它是 PM 和 VR 的復合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點，步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是性能較好的一類步進電動機，在計算機相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機。 課 程 設(shè) 計 用 紙 第 4 頁 步進電機的工作原理 本次設(shè)計是采用步進電機 28BYJ48 型四相八拍電機，電壓為 DC5V— DC12V。當對步進電機施加一系列連 續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的 工作方式（四相） 1. 單四拍：通電順序為： A→ B→ C→ D； 2. 雙四拍：通電順序為： AB→ BC→ CD→ DA； 3. 四相八拍：通電順序為： A→ AB→ B→ BC→ C→ CD→ D→ DA； 步進電機線圈如圖 11所示 ： 圖 11 步進電機線圈 圖 步進電機的常用術(shù)語 齒距角：相鄰兩齒中心線間的夾角，通常定子和轉(zhuǎn)子具有相同的齒距角。θ z =2π /Z (Z 是轉(zhuǎn)子的齒數(shù) ) 步距角：指每給一個電脈沖信號電動機轉(zhuǎn)子所應轉(zhuǎn)過的角度的理論值。 θ b=θ z/N = 2π /NZ (N 是工作拍數(shù)， Z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù) ) 步距角精度：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差 /步距角 *100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在 5%之內(nèi)，八拍運行時應在 15%以內(nèi)。 失調(diào)角：指轉(zhuǎn)子偏離零位的角度。轉(zhuǎn)子齒軸線偏 移定子齒軸線的角度，電機轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。 最大空載的運行頻率： 電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 最大空載起動頻率： 電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在 課 程 設(shè) 計 用 紙 第 5 頁 不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 響應頻率：在某一頻率范圍內(nèi)步進電機可以任意運行而不會丟失一步，則這一最大頻率稱為響應頻率。 運行頻率：指拖動一定負載使頻率連續(xù)上升時，步進電機能不失步運行的極限頻率 。 步進電機的震蕩和失步 步進電機的 振蕩和失步是一種普遍存在的現(xiàn)象，它影響應用系統(tǒng)的正常運行，因此要盡力去避免。 （ 1） 振蕩 步進電機的低頻振蕩是由于電機的轉(zhuǎn)子達到穩(wěn)定平衡位置時具有多余的動能。這種能量越大，振蕩的趨勢越利害，當控制脈沖的頻率等于自由振蕩的頻率時，就發(fā)生低頻振蕩，或稱之為低頻共振。低頻振蕩是步進電機系統(tǒng)的固有的缺點。在振蕩區(qū)，主要表現(xiàn)是步進電機的運動不平穩(wěn)，振蕩加劇，噪音增大，力矩下降，嚴重的甚至失步。 減少步距角可以減少振蕩幅值，以達到削弱振蕩的目的。消除振蕩是通過增加阻尼的方法來實現(xiàn)的，主要有機械阻尼法和電子阻尼法兩大 類。其中機械阻尼法比較單一，就是在電動機軸上加阻尼器，電子阻尼法則有多種。 1. 多相勵磁法：采用多相勵磁會產(chǎn)生電磁阻尼，會削弱或消除振蕩現(xiàn)象。 2. 變頻變壓法：步進電機在在低頻時繞組中的電流上升時間長，轉(zhuǎn)子獲得的能量大，因此容易產(chǎn)生振蕩，在高頻時則相反。所以，可以設(shè)計一種電路，使電壓隨頻率的降低而減少，可以有效地消除振蕩。 2. 細分步法：細分步法是將步進電機繞組中的穩(wěn)定電流分成若干階段，每進一步時，電流升一級。同時，也相對地提高步進頻率，使步進過程平穩(wěn)進行。 3. 反相阻尼法：這種方法用于步進電 機制動，在步進電機轉(zhuǎn)子要過平衡點之前，加一個反向作用力去平衡慣性力，使轉(zhuǎn)子到達平衡點時速度為零，實現(xiàn)準確制動 （ 2） 失步 電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)，稱之為失步。 步進電機失步的原因有 2 種 : 1. 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速慢于旋轉(zhuǎn)磁場的速度（或者說慢于換相速度）。例如，步進電機在啟動時，如果脈沖的頻率較高，由于電動機來不及獲得足夠的能量，使其無法令轉(zhuǎn)子跟上旋轉(zhuǎn)磁場的速度，所以引起失步。因此， 課 程 設(shè) 計 用 紙 第 6 頁 步進電動機有一個啟動頻率啟動時，肯定會產(chǎn)生失步。注意，啟動頻率不是一個固定值，提高 電動機的轉(zhuǎn)矩、減少負載轉(zhuǎn)動慣量、減少步距角都可以提高步進電機的啟動頻率。 2. 轉(zhuǎn)子的平均速度大于旋轉(zhuǎn)磁場的速度。這主要發(fā)生在制動和突然換向時，轉(zhuǎn)子獲得過多的能量，產(chǎn)生嚴重的過沖，引起失步。 步進電機的控制方式 系統(tǒng)可用兩種辦法實現(xiàn)步進電機的速度控制。 一種是延時，一種是定時。延時方法是在每次按鍵之后調(diào)用一個延時子程序，待延時結(jié)束后再次送控制字，這樣周而復始就可發(fā)出一定頻率的 CP 脈沖。該方法簡單，占用資源少，全部由軟件實現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實現(xiàn)不同速度和不同方向的運行。但占用 CPU 時間長，不能在運行時處理其他工作。因此只適合較簡單的控制過程。定時方法是利用單片機系統(tǒng)中的定時器定時功能產(chǎn)生任意周期的定時信號，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出 CP 脈沖的周期。當定時器啟動后，定時器從裝載的初值開始對系統(tǒng)及其周期進行加計數(shù)，當定時器溢出時，定時器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時中斷子程序?qū)㈦姍C換向子程序放在定時中斷服務(wù)程序中，定時中斷一次，電機換向一次，從而實現(xiàn)電機的速度控制。 （ 1） 脈沖序列的生成 如圖 12 所示： 圖 12 脈沖序列的生成圖 脈沖幅值：由數(shù)字元件電平?jīng)Q定。 TTL 0 ～ 5V CMOS 0 ～ 10V 接通和斷開時間可用延時的辦法控制。要求：確保步進到位。 課 程 設(shè) 計 用 紙 第 7 頁 （ 2） 脈沖分配 實現(xiàn)脈沖分配（也就是通電換相控制）的方法有兩種：軟件法和硬件法。本次設(shè)計采用軟件法。 軟件法是完全用軟件的方式，按照給定的通電換相順序，通過單片機的 IO 向驅(qū)動電路發(fā)出控制脈沖。 四相八拍控制字如下表所示： 四相八拍控制字如表 13所示： 表 13 四相八拍控制字 注： 0 代表使繞組斷電， 1 代表使繞組通電 在程序中，只要依次將這 8 個控制字送到 P2 口，步進電機就會轉(zhuǎn)動一個齒距角，每送一個控制字，就完 成一拍，步進電機轉(zhuǎn)過一個步距角。 （ 3） 方向控制 步進電機旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)。 四相八拍，通電順序為 : 正轉(zhuǎn) : A → AB → B → BC → C → C D → D → DA 反轉(zhuǎn) : A → A D → D → DC → C → C B → B → BA 改變通電順序可以改變步進電機的轉(zhuǎn)向。 課 程 設(shè) 計 用 紙 第 8 頁 第 2 章 硬件電路設(shè)計 硬件的設(shè)計與選擇 步進電機的驅(qū)動 步進電機的驅(qū)動采用 ULN2020，接到單片機的 ~，具體如圖 21 所示 ： 圖 21 步進電機驅(qū)動及其接口圖 參數(shù)： 模塊配置 ： 7 NPN 電壓 ： Vceo:50V 集電極直流電流 ： 500mA 課 程 設(shè) 計 用 紙 第 9 頁 直流電流增