【文章內(nèi)容簡介】 進(jìn)行產(chǎn)品革新、擴(kuò)大生產(chǎn)和提高良品率和國際經(jīng)濟(jì)競爭力。為了滿足定位精度的要求，各國都在研究影響系統(tǒng)精度的因素，以及如何實(shí)現(xiàn)固有的精度指標(biāo)。在精度定位研究方面水平最高的是美國，其 LINL 國家試驗(yàn)室、 Moore、 Vnion Carbide、 Pneumo Precision 等公司均在精度定位系統(tǒng)研究與開發(fā)方面做出了卓越成效的工作。美國國防部高等研究計(jì)劃 局 (DARPA)投資 1300 萬美元，由 LINL 試驗(yàn)室與 1983年 7 月研制成功的 LODATM 大型超精密機(jī)床利用激光干涉測量系統(tǒng)，采用壓電晶體誤差補(bǔ)償技術(shù)，使定位精度可以達(dá)到 ，是世界公認(rèn)最高水平的機(jī)床。但是該機(jī)床不但重達(dá) 1360kg，體積龐大，造價(jià)更是昂貴。日本近些年來花費(fèi)巨大人力、物力，開發(fā)、研制精密機(jī)床， 1987 年日本通產(chǎn)省開始的“超尖端加工系統(tǒng)的研究開發(fā)”是大型研究規(guī)劃提出的設(shè)想。 但是，由于精密和超精密加工的尖端部分代表著最新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)與航空、軍事、核能等方面聯(lián)系密切，各國對這部 分技術(shù)是嚴(yán)格保密的。有關(guān)精密加工的高新技術(shù)和產(chǎn)品還對中國實(shí)行禁運(yùn)。而發(fā)展精密加工技術(shù)又是我國的當(dāng)務(wù)之急，因此我們必須依靠自己力量，加速發(fā)展自己的精密定位技術(shù) 。隨著微電子技術(shù)、大功率電力電子器件及驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步， 目前發(fā)達(dá)國家的驅(qū) 4 動(dòng)器已進(jìn)入恒相電流與細(xì)分技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)階段，使步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行振蕩很小、高速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩維持不變。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)上，一方面由于采用了斬波恒流控制、 SPWM(正弦脈寬調(diào)制 )和細(xì)分技術(shù)以及最佳升降頻控制，大大提高了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行快速性和運(yùn)動(dòng)精度，使步進(jìn)電機(jī)在中、小功率范圍內(nèi)向高速精密 化領(lǐng)域滲透 。另一方面在電路設(shè)計(jì)方面，驅(qū)動(dòng)器電路普遍采用單片機(jī)加上外圍電路，或?qū)Ｓ?SPWM 芯片甚至 DSP 來產(chǎn)生 SPWM 波來控制功放電路上開關(guān)管的通斷，從而控制各相繞組細(xì)分電流的大小 .功率開關(guān)管目前采用的功率場效應(yīng)管（ MOSFET）與早先采用的大功率晶體管 (GTR)相比有很多優(yōu)點(diǎn) 。性能更加優(yōu)越的絕緣柵極晶體管 (IGBT)也己應(yīng)用于高速型及較大功率的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中。 論文研究內(nèi)容 本課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容是 設(shè)計(jì)完成基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器，為提高控制精度對步進(jìn)電機(jī)采用細(xì)分控制技術(shù)，使控制系統(tǒng)的控制精度在普通三相六拍 的基礎(chǔ)上得到提高。 主要內(nèi)容包括 :單片機(jī)控制技術(shù) ，由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分、轉(zhuǎn)向等，與 系統(tǒng)的硬件以及軟件設(shè)計(jì) : ，以克服傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)下步進(jìn)電機(jī)低速振動(dòng)、存在共振現(xiàn)象、噪音大、高速轉(zhuǎn)矩小等缺點(diǎn)。 ，減小驅(qū)動(dòng)器的體積和重量，提高電源效率。 MOS器件 (或IGBT)柵極驅(qū)動(dòng)集成電路 IR2130，它能輸出六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且由于內(nèi)部設(shè)有自舉式懸浮電路，因此只用一路電源，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)極為簡化。 AT89C51單片機(jī)、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲(chǔ)器及可編程鍵盤 /顯示控制器 Intel— 8279等組成，單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心。采用了 Intel公司研制的鍵盤、顯示器接口電路芯片 8279，該芯片能自動(dòng)完成對顯示的刷新，同時(shí)還可以對鍵盤自動(dòng)掃描，識(shí)別閉合鍵的鍵號(hào)，使用非常方便。 8279鍵盤、顯示器接口器件是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的主要部件，該接口電路能大大節(jié)省 CPU的開銷，提高了可靠性和 CPU工作效率。 5 第 2章 步進(jìn)電機(jī)及其 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)及其工作原理 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)的典型結(jié) 構(gòu)， 分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成 。 定子繞組是繞置在定子鐵心 6 個(gè)均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對的兩個(gè)齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。 按相數(shù)的多少分為不同結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)，常見的是 2 相、 3相和 5 相步進(jìn)電機(jī)。 圖 21 表示出一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的橫斷面，它的定子上有三對磁極，每一對磁極上繞著一相繞組，三相繞組連接成星形；轉(zhuǎn)子鐵芯及定子極靴上均有小齒，定轉(zhuǎn)子 齒距通常相等；轉(zhuǎn)子鐵芯上沒有繞組，轉(zhuǎn)子齒數(shù)有一定的限制，圖中所示的轉(zhuǎn)子齒數(shù) rZ =40，每一個(gè)齒距對應(yīng)的空間角度為 360 40? =9? 。 圖 21 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理 步進(jìn)電機(jī)種類很多，可以有不同的相數(shù)，不同的磁路結(jié)構(gòu)，不同的繞組連結(jié)等，但它們的基本工作原理相同，以下以比較常見的一種三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例進(jìn)行說明。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)一相繞組通電，例如 A 相繞組通電， B、 C 二相繞組不通電時(shí)，電機(jī)內(nèi)建立 以 AA＇為軸線的磁場，如圖 22（ 1）所示，由于定轉(zhuǎn)子上有齒和槽，所以當(dāng)定轉(zhuǎn)子齒的相對位置不同時(shí)，磁路的磁導(dǎo)也不同，在繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將有一定的穩(wěn)定平衡位置，轉(zhuǎn)子的位置是力求使通電相磁路的磁導(dǎo)為最大。當(dāng) A 相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的平衡位置是轉(zhuǎn)子齒的軸線與 A 相磁極上定子齒的軸線相重合的位置，簡單的說就是 A 相極下定轉(zhuǎn)子 6 齒對齒，如圖 21 所示的情況。 （ 1） A相通電 （ 2） B 相通電 （ 3） C 相通電 圖 22 一相通電時(shí)的磁場情況 B 相繞組的軸線與 A 相繞組軸線的夾角為 120176。 ，中間包含的齒距數(shù)為120 9??=13+13，即當(dāng) A 相磁極上定轉(zhuǎn)子正對是， B 相磁極上定子齒的軸線沿ABC 方向領(lǐng)前轉(zhuǎn)子齒的軸線 13齒距， C 相磁極上定子齒的軸線，則沿 ABC 方向領(lǐng)前轉(zhuǎn)子齒的軸線 23齒距。 在 A 相斷電的同時(shí)，給 B 相通電，則建立以 BB＇為軸線的磁場，如圖 22（ 2），即磁場沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過 120176。空間角。此時(shí)，轉(zhuǎn)子的 軸線將力求與 B相定子磁極上齒的軸線對齊，以達(dá)到穩(wěn)定平衡位置，顯然比起 A 相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的位置沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過 13齒距。 相似的，在 B 相斷電的同時(shí)，給 C 相通電，則建立磁場的軸線如圖 22（ 3） 所示的 CC＇方向，轉(zhuǎn)子有沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過 13齒距。 可見，在連續(xù)不斷的按 A— B— C— A— 的順序分別給各相繞組通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁場的軸線沿 ABC 方向不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，且每改變通電狀態(tài)一次時(shí)，轉(zhuǎn)過的角度為二相磁極軸線間的夾角 120176。而 轉(zhuǎn)子則每次轉(zhuǎn)過 13齒距。每循環(huán)一次，磁場沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過 360176?？臻g角，轉(zhuǎn)子沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。 繞組通電方式 在步進(jìn)電機(jī)中，定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。每一個(gè)脈沖信號(hào)對應(yīng)于繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。對步進(jìn)電機(jī)加一系列連續(xù)不斷的脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子的平均轉(zhuǎn)速正比于脈沖的頻率，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度等于步距角與脈沖數(shù)量的乘積。如上所述，在 A、 B、 C 三相繞組內(nèi)分別單獨(dú)通電的運(yùn)行方式，稱 為三相單六拍運(yùn)行。“三相”是指三相步進(jìn)電機(jī)，“單”是指同時(shí)只有一相繞組通電，“六拍”是表示六種通電狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)，即六次通電狀態(tài)后電機(jī)內(nèi)的磁場恢復(fù)到初始的狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，定轉(zhuǎn)子齒的相對關(guān)系不變。 除了三相單六拍運(yùn)行方式外，三相混合式步進(jìn)電機(jī)還可以在不同的通電方式下運(yùn)行，如三相雙六拍方式，其繞組通電 狀態(tài)變化規(guī)律為： 7 A C C B B A A C C B B A A C? ? ? ? ? ? 還有三相六拍通電方式， 其繞組通電 狀態(tài)變化規(guī)律為： A A B B B C C C A A? ? ? ? ? ? 步距角的控制 在不同的通電方式 運(yùn)行下，步進(jìn)電機(jī)的步距角是不一樣的，其大小為齒距角除以拍數(shù)，若用 1m 表示運(yùn)行拍數(shù)， rZ 表示轉(zhuǎn)子齒數(shù)，則每改變一次通電狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度稱為步距角，用 b? 表示，則： 1360brZm? ? （ 2— 1） 從 (2— l) 式可以看出，拍數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù) 不同時(shí)，步距角不同，且步距角與拍數(shù)或轉(zhuǎn)子齒數(shù)成反比。當(dāng)三相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子為 50 齒，若采用 3 拍通電工作方式時(shí)， b? =176。 。采用 6 拍通電工作方式時(shí)， b? =176。 。采用 12 拍通電工作方式時(shí)， b? =176。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡介 步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，除與電機(jī)本身的性能有關(guān)外 ，也在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)本體三部分組成。步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出步進(jìn)脈沖和方向信號(hào)，每發(fā)一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，即步進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動(dòng)或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低?？刂破鞯姆较蛐盘?hào)決定步進(jìn)電機(jī)的順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。通常，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由邏輯控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和電源組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一旦接收到來自控制器的方向信號(hào)和步進(jìn)脈沖，控制電路就按預(yù)先設(shè)定的電機(jī)通電 方式產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組導(dǎo)通或截止信號(hào)?？刂齐娐份敵龅男盘?hào)功率很低，不能提供步進(jìn)電機(jī)所需的輸出功率，必須進(jìn)行功率放大，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)部分。功率驅(qū)動(dòng)電路向步進(jìn)電機(jī)控制繞組輸入電流，使其勵(lì)磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。保護(hù)電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時(shí)迅速停止驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的運(yùn)行。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 [1]。 。多數(shù)電機(jī)繞組都是連續(xù)的交流或直流供電，而步進(jìn)電機(jī)各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是斷續(xù)的。 是在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。繞組通電時(shí)，電流上升受到限制，因此影響電機(jī)繞組電流的大小。 ，電感中磁場的儲(chǔ)能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié) 8 果使應(yīng)該電流截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。繞組導(dǎo)通和截止過程都會(huì)產(chǎn)生較大的反電勢，而截止時(shí)的反電勢將對驅(qū)動(dòng)器功率器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響，使整個(gè)系統(tǒng)的使用受到影響。 ，這些電勢的方向和大小將對繞組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢基本上與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電勢越 大，繞組電流越小，從而使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。 、互感電勢、旋轉(zhuǎn)電勢。這些電勢與外加電壓共同作用于功率器件。當(dāng)其疊加結(jié)果使電機(jī)繞組兩端的電壓大大超過電源電壓時(shí)，使驅(qū)動(dòng)器工作條件更為惡化。 ，也就是說，繞組有時(shí)需通正向電流，有時(shí)需通反向電流。 所以，根據(jù)以上的特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器必須要保證步進(jìn)電機(jī)繞組有足夠的電壓、電流和正確的波形，而且同時(shí)要保證驅(qū)動(dòng)器功率放大器件安全運(yùn)行，還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗、較低的成本，這就要求選用合適的功率器件 合理設(shè)計(jì)線路。 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理及特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是 70 年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合性能的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。 1975 年美國學(xué)者 首次在美國增量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及器件年會(huì)上提出了步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分的控制方法。在其后的三十多年里，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了很大的發(fā)展，并在實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。實(shí)踐證明，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等。應(yīng)用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)，通過選擇不同的細(xì)分就可使步進(jìn)電機(jī)具有常用的兩相 、五相和反應(yīng)式電機(jī)的步距角，從而簡化了生產(chǎn)品種，節(jié)省了用戶投資。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本思想是 :各相繞組的通電狀態(tài)改變時(shí)，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組電流的一部分，則電機(jī)的合成磁場的改變也只有原來的一部分，因?yàn)檗D(zhuǎn)子的平衡位置與電機(jī)中的合成磁場的方向保持同步，所以轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)行也只有原先步距角的一部分。這樣，繞組電流由常規(guī)的矩形波改為階梯波，繞組中的電流經(jīng)過 N 個(gè)臺(tái)階上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降。電流分成多少個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的次數(shù)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，這種將原先的一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的 驅(qū)動(dòng)方法，稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)不僅減小了步進(jìn)電機(jī)的步距角，還帶來了電機(jī)性能的全面提高 [2][3][4]： 量過剩。經(jīng)過細(xì)分后，驅(qū)動(dòng)電流的變化幅度大大減少，故轉(zhuǎn)子到達(dá)平衡位置時(shí)的過剩能量也大為減少。假如電機(jī)的相電流為 3A，如果使用常規(guī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一步，其繞組內(nèi)的電流將從 0 突變?yōu)?3A 或由 3A 突變到 0，相電流的巨大變化，必然會(huì)引起電機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)和噪音。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，在 10 細(xì)分狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)該電機(jī)，電機(jī)每走一步，其繞組內(nèi)的電流變化 只有 9 而不是 3A，這樣就大大的減弱了電機(jī)的振動(dòng)和噪音。 ，步進(jìn)信號(hào)的脈沖頻率提高了 N 倍 (N 細(xì)分時(shí) )，故電機(jī)運(yùn)行時(shí)可盡量遠(yuǎn)離電機(jī)的自然振蕩頻率 (80200Hz)，這樣就減小了低頻共振的發(fā)生幾率。 ，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行拍數(shù)越多，步距角越小，進(jìn)入動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)越容易，起動(dòng)頻率就越高，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也越大。 因此，運(yùn)用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)不僅可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高分辨率，更重要的是能使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)均勻，而且還能減少低頻振動(dòng)與共振?？傮w來說，相對于其它的驅(qū)動(dòng)方 式，細(xì)分驅(qū)動(dòng)的控制效果最好，這是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的重大進(jìn)展之一。 本章小結(jié) 本章 首先 介紹了步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、繞組通電方式及其控制特性。 然后對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)