【文章內(nèi)容簡介】 好第 2 個脈沖到來，轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩為負值，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)回擺，接著第 3 個脈沖到來，轉(zhuǎn)子受正電磁轉(zhuǎn)矩的作用回到平衡點，這樣，轉(zhuǎn)子經(jīng)過 3 個脈沖仍然回到原來位置，也就是丟了三步。 當步進電機工作在高頻率區(qū)時，由于換相周期短，轉(zhuǎn)子來不及反沖，同時，繞組中的電流尚未上升到穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)子沒有獲得足夠的能量，所以在這個工作區(qū)中不會產(chǎn)生振蕩。 減少步距角可 以減少振蕩幅值，以達到削弱振蕩的目的。 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，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。 阻尼方法 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。 畢業(yè)論文 7 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： 步進電機在高頻和在低頻時轉(zhuǎn)子所獲得的能量不一樣，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，這樣使繞組在低頻時的電流減少，可以有效地消除振蕩。 3. 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。 4. 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。 第 三 章 步進電機的驅(qū)動 步進電動機 不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機 驅(qū)動器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。驅(qū)動單元與 步進電動機 直接耦合，也可理解成 步進電動機 微機控制器的功率接口，這里予以簡單介紹。 單電壓功率驅(qū)動接口 單電壓驅(qū)動是指電動機繞組在工作時，只用一個電壓電源對繞組供電，它的特點是電路最簡單。 步進電機使用脈沖電源工作，脈沖電源的獲得可通過下圖說明，開關(guān)管 T是按照控制脈沖的規(guī)律 “開 ”和 “關(guān) ”，使直流電源以脈沖方式向繞組 L 供電，這一過程我們稱為步進電機的驅(qū)動。 實用電路如下圖所示。在電機繞組回路中串有電阻 Rs，使電機回路時間常數(shù)減小，高頻時電機能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡單單電壓驅(qū)動線路中， Rs 是不可缺少的。Rs 對 步進電動機 單步響應(yīng)的改善如圖 所示： 畢業(yè)論文 8 圖 單電壓功率驅(qū)動接口 電路圖 在 圖 中 ，電路中只有一個電源 V，電路中的限流電阻 R1 決定了時間常數(shù)，但 R1 太大會使繞組供電電流減小。這一矛盾不能解決時，會使電動機的高頻性能下降，可在 R1 兩端并聯(lián)一個電容，以使電流的上升波形變陡，來改善高頻特性，但這樣做又使低頻性能變差。 R1 在工作中腰消耗一定的能量，所以這個電路損耗大，效率低，一般只用于小功率步進電機的驅(qū)動。 雙電壓功率驅(qū)動接口 用提高電壓的方法可以使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動。雙電壓驅(qū)動有兩種工作方式：雙電壓法和高低壓法。 雙電壓驅(qū)動的基本思路是 在較低（低頻段）用較低的電壓 UL 驅(qū)動，而在高速（高頻段）時用較高的電壓 UH 驅(qū)動。這種功率接口需要兩個控制信號，Uh 為高壓有效控制信號， U 為脈沖調(diào)寬驅(qū)動控制信號。圖 中，功率管 TH和二極管 DL 構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當 Uh 低電平， TH 關(guān)斷， DL正偏置，低電壓 UL 對繞組供電。反之 Uh 高電平， TH 導通， DL反偏，高電壓 UH 對繞組供電。這種電路可使電機在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時功耗減小。其電路圖如下所示： 畢業(yè)論文 9 圖 雙電壓功率驅(qū)動接口 電路 雖然這方法保證了低頻段仍然具有單電壓驅(qū)動的特點，在高頻段具有良好的高頻特性，但仍沒有擺脫單電壓驅(qū)動的弱點，在限流電阻 R 上仍然會產(chǎn)生損耗和發(fā)熱。 高低壓功率驅(qū)動接口 高低壓驅(qū)動的設(shè)計思想是，不論電機工作頻率如何，均利用高電壓 UH 供電來提高導通相繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓 UL 來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻 Rs，消除了附加損耗。高低壓驅(qū)動功率接口也有兩個輸入控制信號 Uh 和 Ul，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時刻跳變，高壓管 VTH 的導通時間 tl 不能太大，也不能太小，太大時，電機電流過載；太小時，動態(tài)性能改善不明顯。一 般可取 1~3ms。（當這個數(shù)值與電機的電氣時間常數(shù)相當時比較合適）。 高低壓驅(qū)動電路如下圖所示： 圖 高低 壓驅(qū)動接口 電路圖 高低壓驅(qū)動法是目前普遍應(yīng)用的一種方法，由于這種驅(qū)動在低頻時電流有較大的上沖，電動機低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象存在，使用時要注意。 畢業(yè)論文 10 第 四 章 步進電機的單片機控制 步進電機控制系統(tǒng)組成 圖 用微型機控制步進電機原理系統(tǒng)圖 與傳統(tǒng)步進控制器相比較有以下優(yōu)點： 1. 用微型機代替了步進控制器把并行二進制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實現(xiàn)方向控制。 2. 只要負載是在步進電機允許的范圍之內(nèi)，每個脈沖將使電機轉(zhuǎn)動一個固定的步距角度。 3. 根據(jù)步距角的大小及實際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進電機的最終位置。 步進電機控制系統(tǒng)原理 脈沖序列的生成 圖 脈沖的生成 脈沖幅值 ： 由數(shù)字元件電平?jīng)Q定。 畢業(yè)論文 11 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。 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)。 三相六拍，通電順序為 : 正轉(zhuǎn) : A?AB?B?BC?C?CA 反轉(zhuǎn) : A?AC?C?CB?B?BA 改變通電順序可以改變步進電機的轉(zhuǎn)向 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 通過軟件實現(xiàn)脈沖分配 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，下面以三相六拍為例 上面提到了 三相六拍工作方式通電換相得正序為 AABBBCCCAA,，反序為 AACCCBBBAA 圖 用軟件實現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖 注： ： A 相驅(qū)動 ： B 相驅(qū)動 ： C 相驅(qū)動 三相六拍控制字如下表所示： 表 三相六拍工作方式的控制字 通電狀態(tài) 控制字 畢業(yè)論文 12 A 0 0 1 01H AB 0 1 1 03H B 0 1 0 02H BC 1 1 0 06H C 1 0 0 04H CA 1 0 1 05H 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 10 個控制字送到 P1 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。 軟件法在電動機運行過程中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的 CPU時間，可能使單片機無法同時進行其他工作（如監(jiān)測等），所以，人們更喜歡用硬件法。 通過硬件實現(xiàn)脈沖分配 所謂硬件法實際上就是使用脈沖分配器 8713，來進行通電換相控制。 8713 是屬于單極性控制，用于控制三相和四相步進電機，我們選擇的是三相六拍工作方式。 8713 可以選擇單時鐘輸入或雙時鐘輸入，具有正反轉(zhuǎn)控制、初始化復位、工作方式和輸入脈沖狀態(tài)監(jiān)視等功能，所有輸入端內(nèi)部都設(shè)有斯密特整形電路，提高抗干擾能力，使用 4~18V 直流電源，輸出電流為 20mA。本例選用單時鐘輸入方式， 8713 的 3 腳為步進脈沖輸入端， 4 腳為轉(zhuǎn)向控制端，這兩個引腳的輸入均由單片機提供和控制