【文章內(nèi)容簡介】 生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。 [1] 此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。開環(huán)時，其平穩(wěn)性好，成本低，設計簡單，但未能實現(xiàn)高精度細分。采用閉環(huán)控制，即能實現(xiàn)高精度細分，實現(xiàn)無級調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當?shù)奶幚?，自動給出脈沖鏈，使步進電機每一步響應控制信號的命令，從而只要控制策略正確電機不可能輕易失步。 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)，功能相對較單一，如需改變控制方案，必須需重新設計，因此靈活性不高。 圖 11 基于電子電路控制 步進電機系統(tǒng) 基于 PLC/變頻器控制手段 脈沖控制器 環(huán)形分配器 驅(qū)動電路 步進電機 2 在一些要求實現(xiàn)精確控制的場合，采用 PLC 或者變頻器對步進電機進行控制是一個很好的選擇。 PLC 也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計算機。 PLC 作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學和可靠性高等優(yōu)點而廣泛應用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。步進電機控制系統(tǒng)有 PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成?？刂葡到y(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，控制步進電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構的進給量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度，進而控制伺服機構的進給速度。環(huán)形脈沖分配器將 PLC 輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應的繞組。 PLC 控制的步進電機可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分浙江工業(yè)大學碩士學位論文配器。采用軟件環(huán)形分配器占用 PLC資源較多，特別是步進電機繞組相數(shù)大于 4 時，對于大型生產(chǎn)線應該予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結構稍微復雜些，但可以節(jié)省 PLC 資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅(qū)動電路將 PLC輸出的控制脈沖放大，達到比較大的驅(qū)動能力。 [2] 采用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號，并用 PLC 中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號，這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器，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，相應的頻率只能達到幾百赫茲，因此，受到 PLC 工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制 。 圖 12 基于PLC 控制 步進 電機系統(tǒng)圖 基于 單片機控制手段 單片機在工業(yè)控制中以其高速、精準、成本低廉的特性得到了廣大工程設計者的青睞，近幾年，以單片機作為控制核心的工業(yè)控制系統(tǒng)不斷被開發(fā)和應用在工業(yè)生產(chǎn)控制領域中，而以單片機作為核心的步進電機生產(chǎn)運行系統(tǒng)也成為了時下比較熱門的研究課題。 [3] 控制版面 輸入\輸出 驅(qū)動電路 步進電機 負載 3 圖 13 基于單片機控制步進電機系統(tǒng)圖 采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動線路。由于單片機的強大功能，還可設計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結合的方法來調(diào)用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配 。 本方案有以下優(yōu)點 單片機軟件編程可以使復雜的控 制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響 。 用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性 。 單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復位電路等外圍電路有機的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。 本課題的研究思路即為 :采用單片機作為控制核心，實現(xiàn)對步進電機的控制。 國內(nèi)外發(fā)展情況 步進電機問世以后很快就確定了開環(huán)高分辨率數(shù)控定位系統(tǒng)的應用領域，在工業(yè)上的應用發(fā)展至今己有幾十年的歷史，還沒有找到更合適的替代產(chǎn)品，而且已經(jīng)成為除了交直流電機外的第三大類電機。在其發(fā)展歷程中，出現(xiàn)了多種類型步進電機，按照基本的構造和工作原理可分為三大類型即磁阻式、永磁式和混合式。在日本和西方等發(fā)達國家早期都是研制和應用磁阻式步進電機，但是由于固有的能量利用率低、振動和噪音大等缺點逐步被淘汰掉，目前在國外幾乎沒有了僅僅在某些場合例如在溫度很高的核反應堆中或者需要電動機的不通電的情況下定位力矩為零的時候才使用 。永磁式步進電機則由于轉(zhuǎn)子永磁體加工方面的限制步距角一般較大，相應的轉(zhuǎn)動分辨率比較受限，但是由于采用了低成本的爪極式結構使得其制造工藝簡單、價格較低，容易快速批量生產(chǎn)，因而廣泛應用于對單片機系統(tǒng) 驅(qū)動電路 步進電機 機械裝置 外圍電路 4 性能要求不高的場合 ?；旌鲜讲竭M電機則具備了反應式步進電機和永磁式步進電機的優(yōu)點，成為工業(yè)自動化等性能要求較高應用場合的主流，它剛開始和反應式步進電機一同發(fā)展起來，后來逐步用于替代反應式步進電機。在步進電機幾十年的發(fā)展過程中，按照相數(shù)、步距角以及機座等劃分，可以說出現(xiàn)過的步進電機的規(guī)格品種極其繁多，然而這種狀態(tài)不利于步進電機產(chǎn)業(yè)的 發(fā)展，隨著時間的推移目前逐步形成了相應的主流產(chǎn)品，在西方可以明顯看出最大量應用的是定子 8 極轉(zhuǎn)子 50 齒的二相混合式步進電動機，其次是定子 10 極轉(zhuǎn)子 50 齒的五相混合式步進電動機。 [4] 在我國，步進電動機的研究始于 1958 年，當時只有清華大學，華中理工大學等少數(shù)高等院校在從事這項工作。 60 年代受蘇聯(lián)的影響，主要以三相磁阻式步進電機為主。 70 年代我國研制快走絲數(shù)控線切割機、數(shù)控機床等數(shù)控設備的需求對步進電機的發(fā)展起了很大的促進作用。當時受到蘇聯(lián)、日本等工業(yè)較發(fā)達國家的影響，國內(nèi)開始自行研制磁阻式步進電機的系列產(chǎn)品 。 70 年代末形成了以定子6 個極、轉(zhuǎn)子 40 齒的三相磁阻式電動機為主，另外還有定子 10 個極、轉(zhuǎn)子 100齒的五相磁阻式電動機等共存的步進電機應用局面。但是由于我國工業(yè)起步較晚且發(fā)展之初廣泛采用了磁阻式步進電機，產(chǎn)品更新?lián)Q代沒那么快，同時磁阻式步進電機雖然效率低、振動和噪音大但是由于堅固耐用、驅(qū)動控制技術成熟、價格較低，仍然很受國內(nèi)中小企業(yè)的歡迎，因此我國步進電機的生產(chǎn)與國外不同仍然以反應式步進電機為主。 步進電機驅(qū)動方式分類及比較 步進電機驅(qū)動方法的分類主要有恒電壓驅(qū)動方式（單電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動）、恒電流斬波驅(qū)動方式（自激式恒電斬波驅(qū)動、它 激式恒電流斬波驅(qū)動）和細分驅(qū)動方式。以下是這幾種驅(qū)動方式的 比較。 單電壓驅(qū)動 5 圖 14 單電壓驅(qū)動原理圖 單電壓驅(qū)動是指在電機繞組工作過程中，只用一個方向電壓對繞組供電。如圖 14 所示， L 為電機繞組， VCC 為電源。當輸入信號 In 為高電平時，提供足夠大的基極電流使三極管 T 處于飽和狀態(tài)，若忽略其飽和壓降，則電源電壓全部作用在電機繞組上。當 In 為低電平時，三極管截止，繞組無電流通過。 為使通電時繞組電流迅速達到預設電流，串入電阻 Rc；為防止關斷 T 時繞組電流變化率太大，而產(chǎn)生很大的反電勢將 T 擊穿，在繞組的兩端并聯(lián)一個二極管D 和電阻 Rd，為繞組電流提供一個泄放回路，也稱“續(xù)流回路”。 單電壓功率驅(qū)動電路的優(yōu)點是電路結構簡單、元件少、成本低、可靠性高 。但是由于串入電阻后，功耗加大，整個功率驅(qū)動電路的效率較低，僅適合于驅(qū)動小功率步進電機。 高低壓驅(qū)動 為了使通電時繞組能迅速到達設定電流，關斷時繞組電流迅速衰減為零，同時又具有較高的效率，出現(xiàn)了高低壓驅(qū)動方式。 6 圖 15 高低壓驅(qū)動原理 如圖 15 所示， Th、 T1 分別為高壓管和低壓管， Vh、 V1 分別為高低壓電源，Ih、 I1 分別為高低端的脈沖信號。在導通前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。高低壓驅(qū)動可獲得較好的高頻特性，但是由于高壓管的導通時間不變，在低頻時，繞組獲得了過多的能量，容易引起振蕩。可通過改變其高壓管導通時間來解決低頻振蕩問題，然而其控制電路較單電壓復雜，可靠性降低，一旦高壓管失控，將會因電流太大損壞電機。 [7] 自激式恒電流斬波驅(qū)動 圖 16 自激式恒電流斬波驅(qū)動框圖 把步進電機繞組電流值轉(zhuǎn)化為一定比例的電壓，與 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的預設值進行比較，控制功率管的開關，從而達到控制繞組相電流的目的。從理論上講，自激式恒電流斬波驅(qū)動可以將電機繞組的電流控制在某一恒定值。但由于斬波頻率是可變的，會使繞組激起很高的浪涌電壓，因而對控制電路產(chǎn)生很大的干擾，容易產(chǎn)生振蕩，可靠性大大降低。 [8] D/A輸出預設值 比較器 D觸發(fā)器 功率放大器 步進電機 電流檢測 7 它激式恒電流斬波驅(qū)動 為了解決自激式斬波頻率可變引起的浪涌電壓問題，可在 D 觸發(fā)器加一個固定頻率的時鐘。這樣基本上能解決振蕩問題，但仍然存在一些問題。比如：當比較器輸出的導通脈沖剛好介于 D 觸發(fā)器的 2 個時鐘上升沿之間時，該控制信號將丟失，一般可通過加大 D 觸發(fā)器時鐘頻率解決。 細分驅(qū)動 要了解 步進電機驅(qū)動器的 “ 細分 ” ，先要弄清 步進電機 “ 步距角 ” 這個概念：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如 86BYG250A 型電機給出的值為 176。/176。 （表示半步工作時為 176。 、整步 工作時為 176。 ），這個步距角可以稱之為 ‘ 電機固有步距角 ’ ，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關，參見下表（還以型 86BYG250A 電機為例）： 表 細分驅(qū)動步距角 電機固有步距角 所用驅(qū)動器類型及工作狀態(tài) 電機運行時的真正步距角 176。 /176。 驅(qū)動器工作在半步狀態(tài) 176。 176。 /176。 細分驅(qū)動器工作在 5 細分狀態(tài) 176。 176。 /176。 細分驅(qū)動器工作在 10細分狀態(tài) 176。 176。 /176。 細分驅(qū)動器工作在 20細分狀態(tài) 176。 從上表可以看出：步進電機通過細分驅(qū)動器的驅(qū)動，其步距角變小了，如驅(qū)動器工作在 10 細分狀態(tài)時，其步距角只為 ‘ 電機固有步距角 ’ 的十分之一，也就是說： ‘ 當驅(qū)動器工作在不細分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電機轉(zhuǎn)動 176。 ；而用細分驅(qū)動器工作在 10 細分狀態(tài)時，電機只轉(zhuǎn)動了 176。 ，這就是細分的基本概念 ’ 。 [10] 8 細分功能完全是由驅(qū)動器靠精確控制電機的相電流所產(chǎn)生的，與電機無關。驅(qū)動器細分后的主要優(yōu)點為： 完全消除了電機的低頻振蕩 低頻振蕩是步進電機（尤其是反應式電機）的固有特性，而細分是消除它的唯一途徑，如果步進電機有時要在共振區(qū)工作（如走圓?。?，選擇細分驅(qū)動器是唯一的選擇。 提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩 尤其是對三相反應式電機，其力矩比不細分時提高約 3040% 。 提高了電機的分辨率 由于減小了步距角、提高了步距的均勻度， ‘ 提高電機的分辨率 ’ 是不言而喻的。 以上這些優(yōu)點，尤其是在性能上的優(yōu)點，并不是一個量的變化，而是質(zhì)的飛躍。 研究的目的和意義 本課題研究的目的是綜合運用所學的《單片機原理及其接口技術》理論知識，加強對所學知識的理解，鍛煉設計單片機應用系統(tǒng)能力，以單片機為核心設計一個簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全、適應性強，操作方便、交互性強，可靠性高的步進電機控制系統(tǒng)。 本課題研究的意義是了解單片機的內(nèi)部結構、組成，學習單片工作原理及其內(nèi)部工作狀態(tài)，并熟悉不同時刻，單片機輸入輸出情況；了解步進電機的分類和用途，掌握步進電機內(nèi)部結構及其工作原理，并學習使用單片機簡單控制步進電機的正傳、反轉(zhuǎn)、加速、減速以及簡單了解國內(nèi)外步進電機的發(fā)展狀況。 論文安排 本論文首先簡單介紹了步進電機的應用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進電機常見的控制系統(tǒng)方案和常見的驅(qū)動方案，在這個基礎上提出了自己的設計目的，即設計一套硬件系統(tǒng)較簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全，適應性強，操作方便，交互性強，可靠性高，而且能在目前的職業(yè)教學中得到事半功倍的教學效果的步進電機控制系統(tǒng)。接著用較大的篇幅介紹了步進電機的特點、分類和工作原理，然后分別闡述了所要設計的系統(tǒng)的功能和操作、硬件設計、軟件設計。具體安排如下 : 9 第一章為緒論，介紹了步進電機的應用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進電機常見的控制系 統(tǒng)方案和常見的驅(qū)動方案，了解各種方案的優(yōu)缺點，提出自己的思路和設計目的。 第二章步進電機的概述，闡述步進電機的特點、分類和工作原理，為后面的硬件、軟件設計提供必須的理論基礎。 第三章為步進電機控制系統(tǒng)