【文章內容簡介】 ；北京興大豪科技開發(fā)有限公司開發(fā)的用于電腦繡花機的步進細分驅動器；國外產品主要有美國 SHAPHON 公司生產的細分驅動器系列，其中 SH3F075M 反應式步進電機驅動器為 40 細分等 等。這些驅動器多數采用單片機為控制芯片，受單片機計算速度和計算精度的限制，當采用細分驅動時，細分數最大可以達到 256。 工業(yè)發(fā)達的國家都在大力發(fā)展精密定位技術，利用它進行產品革新、擴大生產和提高良品率和國際經濟競爭力。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，以及如何實現固有的精度指標。在精度定位研究方面水平最高的是美國，其 LINL 國家試驗室、 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劃 局 (DARPA)投資 1300 萬美元，由 LINL 試驗室與 1983年 7 月研制成功的 LODATM 大型超精密機床利用激光干涉測量系統(tǒng)，采用壓電晶體誤差補償技術，使定位精度可以達到 ，是世界公認最高水平的機床。但是該機床不但重達 1360kg，體積龐大，造價更是昂貴。日本近些年來花費巨大人力、物力，開發(fā)、研制精密機床， 1987 年日本通產省開始的“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技術的發(fā)展，同時與航空、軍事、核能等方面聯系密切，各國對這部 分技術是嚴格保密的。有關精密加工的高新技術和產品還對中國實行禁運。而發(fā)展精密加工技術又是我國的當務之急，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 。隨著微電子技術、大功率電力電子器件及驅動技術的進步， 目前發(fā)達國家的驅 xx 大 學學士學位論文 4 動器已進入恒相電流與細分技術相結合的技術階段，使步進電機低速運行振蕩很小、高速運行時轉矩維持不變。在步進電機驅動技術上，一方面由于采用了斬波恒流控制、 SPWM(正弦脈寬調制 )和細分技術以及最佳升降頻控制，大大提高了步進電機運行快速性和運動精度，使步進電機在中、小功率范圍內向高速精密 化領域滲透 。另一方面在電路設計方面，驅動器電路普遍采用單片機加上外圍電路，或專用 SPWM 芯片甚至 DSP 來產生 SPWM 波來控制功放電路上開關管的通斷，從而控制各相繞組細分電流的大小 .功率開關管目前采用的功率場效應管（ MOSFET）與早先采用的大功率晶體管 (GTR)相比有很多優(yōu)點 。性能更加優(yōu)越的絕緣柵極晶體管 (IGBT)也己應用于高速型及較大功率的步進電機驅動電路中。 論文研究內容 本課題的設計內容是 設計完成基于單片機的步進電機控制器，為提高控制精度對步進電機采用細分控制技術，使控制系統(tǒng)的控制精度在普通三相六拍 的基礎上得到提高。 主要內容包括 :單片機控制技術 ，由單片機控制步進電機的細分、轉向等，與 系統(tǒng)的硬件以及軟件設計 : ，以克服傳統(tǒng)驅動技術下步進電機低速振動、存在共振現象、噪音大、高速轉矩小等缺點。 ，減小驅動器的體積和重量，提高電源效率。 MOS器件 (或IGBT)柵極驅動集成電路 IR2130，它能輸出六路驅動信號，并且由于內部設有自舉式懸浮電路，因此只用一路電源，使系統(tǒng)設計極為簡化。 AT89C51單片機、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲器及可編程鍵盤 /顯示控制器 Intel— 8279等組成，單片機是控制系統(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，該芯片能自動完成對顯示的刷新，同時還可以對鍵盤自動掃描，識別閉合鍵的鍵號，使用非常方便。 8279鍵盤、顯示器接口器件是實現人機對話的主要部件，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。 xx 大 學學士學位論文 5 第 2章 步進電機及其 驅動系統(tǒng) 步進電機及其工作原理 步進電機的結構特點 步進電機的典型結 構， 分為定子和轉子兩部分，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 個均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯在一起，構成一相控制繞組。 按相數的多少分為不同結構的步進電機，常見的是 2 相、 3相和 5 相步進電機。 圖 21 表示出一臺三相反應式步進電機的橫斷面，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；轉子鐵芯及定子極靴上均有小齒，定轉子 齒距通常相等；轉子鐵芯上沒有繞組，轉子齒數有一定的限制，圖中所示的轉子齒數 rZ =40，每一個齒距對應的空間角度為 360 40? =9? 。 圖 21 三相反應式步進電機結構圖 步進電機的基本工作原理 步進電機種類很多，可以有不同的相數，不同的磁路結構，不同的繞組連結等，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式步進電機為例進行說明。根據步進電機結構圖，當一相繞組通電，例如 A 相繞組通電， B、 C 二相繞組不通電時，電機內建立 以 AA＇為軸線的磁場，如圖 22（ 1）所示，由于定轉子上有齒和槽，所以當定轉子齒的相對位置不同時，磁路的磁導也不同，在繞組通電時，轉子將有一定的穩(wěn)定平衡位置，轉子的位置是力求使通電相磁路的磁導為最大。當 A 相通電時，轉子的平衡位置是轉子齒的軸線與 A 相磁極上定子齒的軸線相重合的位置，簡單的說就是 A 相極下定轉子 xx 大 學學士學位論文 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。 ，中間包含的齒距數為120 9??=13+13，即當 A 相磁極上定轉子正對是， B 相磁極上定子齒的軸線沿ABC 方向領前轉子齒的軸線 13齒距， C 相磁極上定子齒的軸線，則沿 ABC 方向領前轉子齒的軸線 23齒距。 在 A 相斷電的同時，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 方向轉過 120176?？臻g角。此時，轉子的 軸線將力求與 B相定子磁極上齒的軸線對齊，以達到穩(wěn)定平衡位置，顯然比起 A 相通電時，轉子的位置沿 ABC 方向轉過 13齒距。 相似的，在 B 相斷電的同時，給 C 相通電，則建立磁場的軸線如圖 22（ 3） 所示的 CC＇方向，轉子有沿 ABC 方向轉過 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，電動機內磁場的軸線沿 ABC 方向不斷轉動，且每改變通電狀態(tài)一次時，轉過的角度為二相磁極軸線間的夾角 120176。而 轉子則每次轉過 13齒距。每循環(huán)一次，磁場沿 ABC 方向轉過 360176?？臻g角，轉子沿 ABC 方向轉過一個齒距。 繞組通電方式 在步進電機中，定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍，每一拍轉子就轉過一個步距角。每一個脈沖信號對應于繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應于轉子轉過一個步距角。對步進電機加一系列連續(xù)不斷的脈沖時，它可以連續(xù)不斷的轉動，轉子的平均轉速正比于脈沖的頻率，轉子轉過的角度等于步距角與脈沖數量的乘積。如上所述，在 A、 B、 C 三相繞組內分別單獨通電的運行方式，稱 為三相單六拍運行?！叭唷笔侵溉嗖竭M電機，“單”是指同時只有一相繞組通電，“六拍”是表示六種通電狀態(tài)為一個循環(huán)，即六次通電狀態(tài)后電機內的磁場恢復到初始的狀態(tài)，轉子轉過一個齒距，定轉子齒的相對關系不變。 除了三相單六拍運行方式外，三相混合式步進電機還可以在不同的通電方式下運行，如三相雙六拍方式，其繞組通電 狀態(tài)變化規(guī)律為： xx 大 學學士學位論文 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 運行下，步進電機的步距角是不一樣的，其大小為齒距角除以拍數，若用 1m 表示運行拍數， rZ 表示轉子齒數，則每改變一次通電狀態(tài)時轉子轉過角度稱為步距角，用 b? 表示，則： 1360brZm? ? （ 2— 1） 從 (2— l) 式可以看出，拍數和轉子齒數 不同時，步距角不同，且步距角與拍數或轉子齒數成反比。當三相步進電機轉子為 50 齒，若采用 3 拍通電工作方式時， b? =176。 。采用 6 拍通電工作方式時， b? =176。 。采用 12 拍通電工作方式時， b? =176。 步進電機驅動系統(tǒng) 步進電機驅動系統(tǒng)簡介 步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設備一步進電機驅動器。步進電機驅動系統(tǒng)的性能，除與電機本身的性能有關外 ，也在很大程度上取決于驅動器的優(yōu)劣。典型的步進電機驅動系統(tǒng)是由步進電機控制器、步進電機驅動器和步進電機本體三部分組成。步進電機控制器發(fā)出步進脈沖和方向信號，每發(fā)一個脈沖，步進電機驅動器驅動步進電機轉子旋轉一個步距角，即步進一步。步進電機轉速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低?？刂破鞯姆较蛐盘枦Q定步進電機的順時針或逆時針旋轉。通常，步進電機驅動器由邏輯控制電路、功率驅動電路、保護電路和電源組成。步進電機驅動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進脈沖，控制電路就按預先設定的電機通電 方式產生步進電機各相勵磁繞組導通或截止信號?？刂齐娐份敵龅男盘柟β屎艿停荒芴峁┎竭M電機所需的輸出功率，必須進行功率放大，這就是步進電機驅動器的功率驅動部分。功率驅動電路向步進電機控制繞組輸入電流，使其勵磁形成空間旋轉磁場，驅動轉子運動。保護電路在出現短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅動器和電機的運行。 步進電機的驅動特點主要體現在以下幾個方面 [1]。 。多數電機繞組都是連續(xù)的交流或直流供電，而步進電機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，電流上升受到限制，因此影響電機繞組電流的大小。 ，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結 xx 大 學學士學位論文 8 果使應該電流截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設計適當的續(xù)流回路。繞組導通和截止過程都會產生較大的反電勢，而截止時的反電勢將對驅動器功率器件的安全產生十分有害的影響，使整個系統(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生很大的影響。由于旋轉電勢基本上與電機轉速成正比，轉速越高，電勢越 大，繞組電流越小，從而使電機輸出轉矩隨著轉速升高而下降。 、互感電勢、旋轉電勢。這些電勢與外加電壓共同作用于功率器件。當其疊加結果使電機繞組兩端的電壓大大超過電源電壓時，使驅動器工作條件更為惡化。 ，也就是說，繞組有時需通正向電流，有時需通反向電流。 所以，根據以上的特點，步進電機的驅動器必須要保證步進電機繞組有足夠的電壓、電流和正確的波形，而且同時要保證驅動器功率放大器件安全運行，還應有較高的效率、較小的功耗、較低的成本，這就要求選用合適的功率器件 合理設計線路。 步進電機細分驅動原理及特點 步進電機細分驅動技術是 70 年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合性能的驅動控制技術。 1975 年美國學者 首次在美國增量運動控制系統(tǒng)及器件年會上提出了步進電機步距角細分的控制方法。在其后的三十多年里，步進電機細分驅動技術得到了很大的發(fā)展，并在實踐中得到廣泛的應用。實踐證明，步進電機細分驅動技術可以減小步進電機的步距角，提高電機運行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等。應用細分驅動技術的步進電機，通過選擇不同的細分就可使步進電機具有常用的兩相 、五相和反應式電機的步距角，從而簡化了生產品種，節(jié)省了用戶投資。 細分驅動的基本思想是 :各相繞組的通電狀態(tài)改變時，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應繞組電流的一部分，則電機的合成磁場的改變也只有原來的一部分，因為轉子的平衡位置與電機中的合成磁場的方向保持同步，所以轉子的每步運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，繞組中的電流經過 N 個臺階上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降。電流分成多少個臺階，則轉子就以同樣的次數轉過一個步距角，這種將原先的一個步距角細分成若干步的 驅動方法，稱為細分驅動。 細分驅動不僅減小了步進電機的步距角，還帶來了電機性能的全面提高 [2][3][4]： 量過剩。經過細分后，驅動電流的變化幅度大大減少，故轉子到達平衡位置時的過剩能量也大為減少。假如電機的相電流為 3A，如果使用常規(guī)驅動器驅動電機，電機每運行一步，其繞組內的電流將從 0 突變?yōu)?3A 或由 3A 突變到 0，相電流的巨大變化，必然會引起電機運行的振動和噪音。如果使用細分驅動器，在 10 細分狀態(tài)下驅動該電機，電機每走一步，其繞組內的電流變化 只有 xx 大 學學士學位