【文章內(nèi)容簡介】 業(yè)用步進(jìn)電機(jī)，以混和式（ HB型）最為普遍。 步進(jìn)電機(jī)概述 ： （一） 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同對 N、 S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用 m表示。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即ABBCCDDAAB，四相八拍運(yùn)行方式即 AABBBCCCDDDAA. 步距角：對應(yīng)一個(gè)脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 θ 表示。 θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù) *運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360 度 /（ 50*4） = 度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360 度 /（ 50*8） = 度（俗稱半步）。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。 （二） 步進(jìn)電機(jī)動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語： 步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角 *100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 15%以內(nèi)。 失步： 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步 失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動是不能解決的。 最大空載起動頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 運(yùn)行矩頻特性： 電機(jī)在某種測試條 件下測得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。 要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。 電機(jī)的共振點(diǎn)： 步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180250pps 之間（步距角 度）或在 400pps 左右（步距角為 ）， 電機(jī)驅(qū)動電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制： 當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)?AABBBCCCDDDA 時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)镈ADCDCBCBABA 時(shí)為反轉(zhuǎn)。 ： 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3%5%，且不積累。 步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。 步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩 下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。 步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減少，從而導(dǎo)致力矩下降。 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常轉(zhuǎn)動，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。 步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動 頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 步進(jìn)電動機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用 電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器。以 三相電機(jī)為例 , 其結(jié)構(gòu)原理見圖 1。各相夾角為 120176。的定子磁極上均勻分布了 5 個(gè)矩形小齒 , 沒有繞組的轉(zhuǎn)子圓周上也均勻的分布著 40個(gè)小齒（相鄰齒夾角為 9176。）。利用電磁學(xué)的性質(zhì) , 在某相繞組通電時(shí) , 相應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場 , 與轉(zhuǎn)子形成磁路如此時(shí)定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊 , 則在磁場作用下 , 轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一定角度 , 達(dá)到齒的對齊。在單三拍控制方式下 , 若 A 相通電 , B、 C 相不通電 , 在磁場作用下使轉(zhuǎn)子齒和A 相定子齒相對假設(shè)此時(shí)為初態(tài)并且令與 A 相中心對齊的轉(zhuǎn)子齒為 0 號齒 , 因?yàn)?B 相與 A 相相差 120176。，可知 120176。 /9176。 =13 3?9, 不為整數(shù) , 即此時(shí)轉(zhuǎn)子齒與B 相不對齊 , 只是 13 號齒靠近相的中心 , 且相差 3176。如果此時(shí)突然變?yōu)?B 相通電 , 而 A、 C 相都不通電 , 那么 , 13 號齒會在磁場的作用下轉(zhuǎn)到與相中心對齊的位置 , 這就是常說的走一步 , 此時(shí) ,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了。這樣 , 按照 A 一 B 一 C 一 A 順序通電次 , 可以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動 9176。那么步進(jìn)電機(jī)的步距角 Q=(360/NZ)176。（式中N=MC 為運(yùn)行拍數(shù)； M 為控制繞組相數(shù)； C 為狀態(tài)系數(shù) , 單三拍或雙三拍時(shí) C=1, 單六拍或雙六拍時(shí) C=2 為轉(zhuǎn)子齒數(shù)）。 2 直流電機(jī)的原理 由直流電動機(jī)和 發(fā)電機(jī)工作原理示意圖可以看到，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由 定子和轉(zhuǎn)子 兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和 電刷 裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和 感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、 電樞繞組 、 換向器 和風(fēng)扇等組成。 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)：電機(jī)要實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量變換，電路和磁路之間必須有相對運(yùn)動。所以旋轉(zhuǎn)電機(jī)具備靜止的和旋轉(zhuǎn)的兩大部分。靜止和旋轉(zhuǎn)部分之間有一定大 小的間隙，稱為氣隙。靜止的部分稱為定子，作用是產(chǎn)生磁場和作為電機(jī)的機(jī)械支撐。包括主磁極、換向極、機(jī)座、端蓋、軸承、電刷裝置等。旋轉(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子或電樞，作用是感應(yīng)電勢實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。包括電樞鐵心，電樞繞組，換向器、軸和風(fēng)扇等。 定子部分： 主磁極：也稱為主極。作用是產(chǎn)生氣隙磁場。 換向極：也稱為附加極或間極。作用是改善換向。裝在主極之間。 機(jī)座：由鑄鋼或厚鋼板焊成。是電機(jī)的機(jī)械支撐。 電刷裝置：將直流電壓、電流引入或引出的裝置。其組數(shù)與主極極數(shù)相等。 轉(zhuǎn)動部分：（轉(zhuǎn)子部分） 電樞鐵心：主磁路的主要 部分及嵌放電樞繞組，由硅鋼片迭壓而成。 電樞繞組：由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成。用來感應(yīng)電勢和通過電流，是電路的主要部分。 換向器：由許多彼此絕緣的換向片構(gòu)成。 3 步進(jìn)電機(jī)的特征： （ 1） 高精度的定位 ： 步進(jìn)電機(jī)最大特征即是能夠簡單的做到高精度的定位控制。以 5 相步進(jìn)電機(jī)為例：其定位基本單位（分辨率）為 176。（全步級） /176。（半步級），是非常小的；停止定位精度誤差皆在177。 3分（177。 176。）以內(nèi)，且無累計(jì)誤差，故可達(dá)到高精度的定位控制。 （步進(jìn)電機(jī)的定位精度是取決于電機(jī)本身的機(jī) 械加工精度） （ 2） 位置及速度控制 ： 步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖信號時(shí)，可以依輸入的脈沖數(shù)做固定角度的回轉(zhuǎn)進(jìn)而得到靈活的角度控制（位置控制），并可得到與該脈沖信號周波數(shù)（頻率）成比例的回轉(zhuǎn)速度。 （ 3） 具定位保持力 ： 步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下（無脈波信號輸入時(shí)），仍具有激磁保持力，故即使不依靠機(jī)械式的剎車，也能做到 停止位置的保持。 （ 4） 動作靈敏 ： 步進(jìn)電機(jī)因?yàn)榧铀傩阅軆?yōu)越 ,所以可做到瞬時(shí)起動、停止、正反轉(zhuǎn)之快速、頻繁的定位動作。 （ 5） 開回路控制、不必依賴傳感器定位 ： 步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要速度感應(yīng)器（ ENCODER、轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)）及位置傳感器（ SENSOR），就能以輸入的脈波做速度及位置的控制。也因其屬開回路控制，故最適合于短距離、高頻度、高精度之定位控制的場合下使用。 （ 6） 中低速時(shí)具備高轉(zhuǎn)矩 ： 步進(jìn)電機(jī)在中低速時(shí)具有較大的轉(zhuǎn)矩，故能夠較同級伺服電機(jī)提供更大的扭力輸出。 （ 7） 高信賴性 ： 使用步進(jìn)電機(jī)裝置與使用離合器、減速機(jī)及極限開關(guān)等其它裝置相較，步進(jìn)電機(jī)的故障及誤動作少，所以在檢查及保養(yǎng)時(shí)也較簡單容易。 （ 8） 小型、高功率 ： 步進(jìn)電機(jī)體積小、扭力大，盡管于狹窄的空間內(nèi)，仍可順利做安裝，并提供高轉(zhuǎn)矩輸出。 （ 9）步進(jìn)電機(jī)的速度 — 轉(zhuǎn)矩特性 速度 轉(zhuǎn)矩特性取決于電機(jī)及驅(qū)動器，尤其與所搭配的驅(qū)動器有著極大的影響；使用的驅(qū)動器不同，特性上的差異也就會有明顯的不同。 圖 210 轉(zhuǎn)矩特性曲線圖（圖 210）說明 ： (1)激磁最大靜止轉(zhuǎn)矩 ：當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖速度等于 0 Hz 時(shí)，曲線與 Y軸交接的點(diǎn)即稱為激磁最大靜止轉(zhuǎn)矩。也就是指電機(jī)在通電但無輸入脈沖信號的情況下，其所具備的保持轉(zhuǎn)矩即稱為激磁最大靜止轉(zhuǎn)矩。 (2)脫出轉(zhuǎn)矩 ：又稱最大轉(zhuǎn)矩，為電機(jī)于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所能帶動的最大負(fù)荷。 (3)最大響應(yīng)頻率 ：在無負(fù)載、負(fù)荷慣性為 0時(shí)，電機(jī)所 能夠響應(yīng)之最快的速度。 4)最大自起動頻率 ：電機(jī)在無載的狀態(tài)下可以做到瞬時(shí)的起動而不失步的速度謂之最大自起動頻率。 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的顯示部分可以用液晶顯示的方案可供選擇，液晶顯示和數(shù)碼管顯示的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：數(shù)碼管顯示內(nèi)容單一，而液晶顯示器顯示內(nèi)容豐富，因?yàn)橐壕б话愣际瞧叨伟俗值闹荒茱@示單一的內(nèi)容，而液晶顯示的內(nèi)容就很豐富；數(shù)碼管還比液晶顯示耗電，而且使用液晶也比使用數(shù)碼管顯得美觀。但是控制液晶顯示器的時(shí)候占用的系統(tǒng)資源多，編程更復(fù)雜，最關(guān)鍵的是液晶顯示的成本是數(shù)碼管 的幾十倍，所以考慮到應(yīng)用價(jià)值，最終還是確定選用數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的顯示部分功能。 共陽數(shù)碼管簡介 四位共陽數(shù)碼管的管腳分配如下圖 211 所示： 圖 211 四位共陽數(shù)碼管管腳定義 數(shù)碼管的管腳排列：從數(shù)碼管的正面觀看，左下角的那個(gè)腳為 1 腳，從 1腳開始，按照逆時(shí)針方向排列依次是 1 腳到 12 腳，其中 1 6 為公共角，為位選信號輸入端。剩余的八個(gè)腳是段選信號輸入端，其對應(yīng)方式是 A1 BC D E F G DP3。 只有詳細(xì)的了解了數(shù)碼管的管腳定義，以及 段選位選情況，我們才能通過編程對其正常的顯示進(jìn)行很好的控制。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中采用了數(shù)碼管動態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示，下面我們對數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示作一詳細(xì)介紹。 數(shù)碼管動態(tài)顯示介面是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8個(gè)顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp 的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極 COM 增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨(dú)立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位元選通 COM 端電路的 控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。 通 過分時(shí)輪流控制各個(gè) LED 數(shù)碼管的 COM 端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為 1～ 2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 口 ，而且功耗更低。 本設(shè)計(jì)選用了數(shù)碼管 顯示設(shè)計(jì)，其段選的控制 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 DP按照數(shù)碼管的簡介資料選用了 P 0 口作為其控制端口，其位選部分由于單片機(jī)的控制端口輸出的電壓不足以直接點(diǎn)亮數(shù)碼管，所以在單片機(jī)控制端口和數(shù)碼管的位選控制端口加入了三極管，其具體的電路連接如圖 212所示。 圖 212 數(shù)碼管顯示電路 鍵盤控制電路 鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。鍵盤實(shí)質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。鍵盤所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。 一個(gè)電壓信號在機(jī)械觸 點(diǎn)的斷開、閉合過程中，都會產(chǎn)生抖動，一般為5— 10ms；兩次抖動之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時(shí)間由按鍵動作所決定；第一次抖動前和第二次抖動后為斷開狀態(tài)。 按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。通過對輸出電平的高低狀態(tài)的檢測，便可確認(rèn)按鍵按下與否。在本設(shè)計(jì)中，高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合狀體。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個(gè)按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時(shí)，發(fā)光二極管滅，當(dāng)有鍵閉合時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管變亮。 為了確保單片機(jī)對一次按鍵動作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動的 影響。消除按鍵抖動通常采用硬件、軟件兩種方法。由于硬件消抖電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，本設(shè)計(jì)中沒有采用，在此不再詳細(xì)敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡單。其原理是在第一次檢測到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí) 10ms 的子程序后在確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正有鍵按下，從而消除了抖動的影響。其原理圖如圖 213所示： 圖 213鍵盤控制模塊原理圖 光電耦合器與驅(qū)動系統(tǒng) (1) 4N25 光電耦合器 光電耦合器是把發(fā)光器件和光敏器件組裝在一起，通過光線實(shí)現(xiàn)