【文章內(nèi)容簡介】 誤差等是它最具競爭力的，因此在各種各樣的領(lǐng)域中都有步進電機廣泛的應(yīng)用。如指針式電子鐘表、工業(yè)機械手、電動窗簾、包裝機械中的計量系統(tǒng)、光盤選取機、印刷機、數(shù)控切割機、噴泉噴頭角度控制系統(tǒng)等。為了達到現(xiàn)在人們對智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需求，步進電機的控制技術(shù)也在不斷更新發(fā)展，功能強大的單片機也越來 越多地應(yīng)用到步進電機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了強強聯(lián)合，勢不可擋 ! 步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的機電元件。每出現(xiàn)一個脈沖，它就相應(yīng)的運行一步。步進電機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點。 隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。為了得到性能優(yōu)良的控制結(jié)果，出現(xiàn)了很多步進電機控制系統(tǒng)，以前的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變 控制方案就一定要重新設(shè)計電路，不利于系統(tǒng)的改進升級?；谖⑿蛦纹瑱C的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進電機，能夠更好地發(fā)揮步進電機的潛力。因此，用微型單片機控制步進電機己經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。 伴隨著單片機技術(shù)的不斷更新發(fā)展，慢慢滲透到各種控制系統(tǒng)領(lǐng)域，可以非常肯定的是，基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)發(fā)展前景將會一片光明，實現(xiàn)西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 8 智能化是今后控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。所以，當(dāng)下對基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)進行研究具有非常重要的意義。 本課題研究步進電機 和 單片機 的原理，并設(shè)計實現(xiàn) 利用單片機對步進電機進行驅(qū)動控制。并 利用 Proteus 仿真平臺仿真實現(xiàn) 以單片機作為控制核心對步進電機進行驅(qū)動控制使其實現(xiàn)“正轉(zhuǎn)”、“反轉(zhuǎn)”、“加速”、“減速”以及“停止”運動 的 電路設(shè)計和軟件 設(shè)計 及 仿真 。 步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機，國外一般稱為 Stepping motor，Pulse motor 或 Stepper servo，其應(yīng)用發(fā)展已有 80 年的歷史。正是由于步進電機具有突出的優(yōu)點，所以成了機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著 微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展。步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到了廣泛應(yīng)用。 目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，國外對步進電機的研究一直很活躍。目前，國外對步進電機的控制和驅(qū)動的一個重要發(fā)展方向是大量采用專用芯片，結(jié)果是大大縮小驅(qū)動器的體積，明顯提高了整機的性能。比較典型的芯片有兩類：一類芯片的核心是用硬件和微程序來保證步進電機實現(xiàn)合理的加減速過程，同時完成計長走步、正反轉(zhuǎn)等。對于開環(huán)使用的步進電機，實現(xiàn)合理的加減速過程便可使其達到較高的運行頻率而不失步或過沖。例如日本 的 ppmcl0lb 便是這種芯片。采用這類專用集成電路可驅(qū)動 3~5 相電路，可選擇勵磁方式，轉(zhuǎn)速精確，設(shè)定的轉(zhuǎn)速范圍寬，加減速的過渡時間及上升陡度可根據(jù)負載選定，此外還有單步運轉(zhuǎn)和不同的停止方式。 我國數(shù)控機械和普通機床的微機改造中大多數(shù)均采用開環(huán)步進電機控制系統(tǒng)，為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運行平穩(wěn)性的要求，我國改革開放初期研究步進電機細分驅(qū)動技術(shù)，細分驅(qū)動是指在每次脈沖切換時，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，電動機的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細分包括 振蕩器、環(huán)行分配器控制的細分驅(qū)動。另外還有基于單片機斬波恒流驅(qū)動、基于單片機的直流電壓驅(qū)動三種常見驅(qū)動方式，除上述三種步進電機的驅(qū)動方案之外，目前采用的驅(qū)動方案還有根據(jù)匯編語言或 C 語言進行軟件開發(fā)，通過串行或并行通行的方式實現(xiàn) pc 機與步進電機控制器之間的數(shù)據(jù)通信，最終實現(xiàn)由 PC 機直接控制步進電機的方法。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 9 經(jīng)過數(shù)年來的努力，我國已經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國數(shù)控機床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。其中華中數(shù)控系統(tǒng)解決了“五軸聯(lián)動”，為“神州”系列飛船順利升空立下了汗馬功勞。雖然與發(fā)達國家相比，我國 的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，但已經(jīng)在我國占有非常重要的地位，并起了很大的作用。 本文所選的步進電機是四相八拍步進電機，電壓為 DC 5V~DC 12V。采用的方法是利用單片機來控制步進電機的驅(qū)動。 當(dāng)對步進電機按一定順序施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號使得步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電 ）四拍（ ABCDA…… ），雙（雙相繞組通電）四拍（ ABBCCDDAAB…… ），四相八拍（ AABBBCCCDDDAA…… ）。 本次畢業(yè)設(shè)計就是通過改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)電機速度的，并且通過共陰數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)速的級別，并且通過單片機實現(xiàn)它的正反轉(zhuǎn)以及加減速的控制。 本章小結(jié) 本章主要介紹了本設(shè)計的目的、意義、研究背景、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及主要內(nèi)容。通過以上，了解了將步進電機與單片機結(jié)合起來的優(yōu)勢，明確了本設(shè)計的研究方向。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 10 第二章 步進電機與單片機簡介 步 進電機 是將 電脈沖信號 轉(zhuǎn)變?yōu)?角位移 或 線位移 的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的 頻率 和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為 “步距角 ”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的 目的 ；同時可以通過控制 脈沖頻率 來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 步進電機是 一種 感 應(yīng) 電機 ，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的多相時序控制器。通常電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn) 。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉(zhuǎn)動。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 11 圖 21 四相步進電機步進示意圖 雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能像普通的直流電機， 交流電機 在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。 步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之 一 , 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng) 用 。 步進電機在構(gòu)造上有三種主要類型：反應(yīng)式（ Variable Reluctance ， VR）、永磁式（ Permanent Mag ,PM）和混合式（ Hybrid Stepping ,HS）。 反應(yīng)式：定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡單、成本低、步距角小，可達 176。、但動態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。 永磁式：永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點是動態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大（一般為 176?；?15176。）。 混合式：混合式步進電機綜合了 反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點，其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高。 按定子上繞組來分共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進電機，約占 97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細分驅(qū)動器后效果良好。該種電機的基本步距角為 176。/步，配上半步驅(qū)動器后，步距角減少為 176。，配上細分驅(qū)動器后其步距角可細分達 256 倍（ 176。/微步）。由于西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 12 摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進 電機可配不同細分的驅(qū)動器以改變精度和效果。 步進電機的靜態(tài)指標(biāo)有： （ 1） 、相數(shù)：產(chǎn)生不同對極 N、 S 磁場的激磁線圈對數(shù)。常用 m表示。 （ 2） 、拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n 表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即 ABBCCDDAAB，四相八拍運行方式即 AABBBCCCDDDAA。 （ 3） 、步距角：對應(yīng)一個 脈沖信號 ，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 θ 表示。θ=360度 /（轉(zhuǎn)子齒數(shù) * 運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四 相，轉(zhuǎn)子齒為 50 齒電機為例。四拍運行時步距角為 θ=360 度 /（ 50*4） = 度（俗稱整步），八拍運行時步距角為 θ=360度 /（ 50*8） = 度（俗稱半步）。 （ 4） 、定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。 （ 5） 、靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標(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)，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不 可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。 步進電機的動態(tài)指標(biāo)有： （ 1） 、步距角精度：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差 /步距角 *100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在 15%以內(nèi)。 （ 2） 、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。 （ 3） 、失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。 （ 4） 、最大空載起動頻率：電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 13 （ 5） 、最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 （ 6） 、運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。 電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大， 電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，采用小電感大電流的電機。 （ 7） 、電機的共振點：步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式的共振區(qū)一般在 180250pps 之間（步距角 度）或在 400pps 左右（步距角為 度），電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 （ 8） 、電機正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機繞組通電時序為 ABBCCDDA 或 ( )時為正轉(zhuǎn) ，通電時序為 DACDBCAB 或 ( )時為反轉(zhuǎn)。 步進電機的特征如下： （ 1）、一般步進電機的精度為步進角的 3%5%，且不積累。 （ 2）、步進電機外表允許的最高溫度。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達攝氏 200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。 （ 3）、步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減少，從而導(dǎo)致力矩下降。 （ 4）、步進電機低速時可以正常轉(zhuǎn)動，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 14 步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機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，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(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（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。