【文章內(nèi)容簡介】 能力，以保證系統(tǒng)平穩(wěn)工作。由以上大致分析，整個系統(tǒng)控制將由AT89C51單片機為核心構成。并由軟件和硬件共同來保證系統(tǒng)抗干擾的能力。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。圖23步進電機實物圖圖24步進電機接線圖步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉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，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制?，F(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小， 或15度；反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩。混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相： 。這種步進電機的應用最為廣泛，也是本次細分驅(qū)動方案所選用的步進電機。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、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，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，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。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。步進電機控制原理，步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應式步進電機（簡稱VR）、永磁式步進電機（簡稱PM）和混合式步進電機（簡稱HB）。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本原理作用如下：(1)控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為ABCD,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A，B，C，D相的通斷。(2)控制步進電機的轉向如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。(3)控制步進電機的速度如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。反應式步進電機工作原理比較簡單。先敘述三相反應式步進電機原理。⑴結構：電機轉子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。0、1/3π、2/3π,（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以π表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3π，C與齒3向右錯開2/3π，A39。與齒5相對齊，（A39。就是A，齒5就是齒1）下面是定轉子的展開圖：圖25步進電機轉自展開圖⑵旋轉：如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉子不受任何力以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過1/3π，此時齒3與C偏移為1/3π，齒4與A偏移（π1/3π）=2/3π。如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3π，此時齒4與A偏移為1/3π對齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過1/3π。這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3π,向右旋轉。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉。由此可見：電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用AABBBC－CCAA這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3π改變?yōu)?/6π。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3π變?yōu)?/12π，1/24π，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m……(m1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制——這是步進電機旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。⑶力矩：電機一旦通電，在定轉子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）當轉子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力 F與（dФ/dθ）成正比圖26轉子磁場分析圖其磁通量Ф=BrS ；Br為磁密；S為導磁面積 ； F與LDBr成正比；L為鐵芯有效長度；D為轉子直徑；Br=N?I/RN?I為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。力矩=力半徑力矩與電機有效體積安匝數(shù)磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。⑴特點：感應子式步進電機與傳統(tǒng)的反應式步進電機相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。感應子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動），而反應式電機則不能如此。例如：四相，八相運行（AABBBCCCDDDAA）= ,D= 。一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。⑵分類感應子式步進電機以相數(shù)可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號（電機外徑）可分為：42BYG(BYG為感應子式步進電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標準），而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標準。⑶步進電機的靜態(tài)指標術語相數(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。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。步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度（轉子齒數(shù)J運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（504）=（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（508）=（俗稱半步）。定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關。雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，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，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。⑷步進電機動態(tài)指標及術語①步距角精度： 步進電機每轉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，四拍運行時應在5%之內(nèi)，八拍運行時應在15%以內(nèi)。②失步： 電機運轉時運轉的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。③失調(diào)角： 轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調(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。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)。如下圖所示：圖27運行矩頻特性圖其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性。 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。如下圖所示：圖28力矩與頻率負載分析 其中，曲線3電流最大、或電壓最高。曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。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。⑦電機的共振點： 步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應子式步進電機的共振區(qū)一般在180250pps之間（）或在400pps左右（），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，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。 ⑧電機正反轉控制： 當電機繞組通電時序為ABBCCDDA時為正轉，通電時序為DACABCAB時為反轉。使用、控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下：圖29步進電機驅(qū)動基本框圖⑴脈沖信號的產(chǎn)生脈沖信號一般由單片機或CPU產(chǎn)生，電機轉速越高，占空比則越大.⑵信號分配 我廠生產(chǎn)的感應子式步進電機以二、四相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為 ,；二相八拍為 ,。四相電機工作方式也有二種，四相四拍為ABBCCDDAAB,；四相八拍為ABBBCCCDDAB,(）。⑶功率放大 功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動方式，到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流、細分數(shù)等。 為盡量提高電機的動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進電機的驅(qū)動電源。SH系列二相恒流斬波驅(qū)動電源與單片機及電機接線圖如下：圖210單片機利用L298N驅(qū)動步進電機說明：CP 接CPU脈沖信號（負信號，低電平有效）OPTO 接CPU+5V FREE 脫機，與CPU地線相接，驅(qū)動電源不工作 DIR 方向控制，與CPU地線相接，電機反轉 VCC 直流電源正端 GND 直流電源負端 A 接電機引出線紅線 接電機引出線綠線 B 接電機引出線黃線接電機引出線藍線步進電機一經(jīng)定型，其性能取決于電機的驅(qū)動電源。步進電機轉速越高，力距越大則要求電機的電流越大，驅(qū)動電源的電壓越高。電壓對力矩影響如下：圖211力矩與電壓頻率關系圖⑷細分驅(qū)動器在步進電機步距角不能滿足使用的條件下，可采用細分驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機，細分驅(qū)動器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉的。圖212細分驅(qū)動原理圖⑴步進電機的選擇步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。①步距角的選擇電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。（五相電機）、（二、四相電機）、（三相電機）等。②靜力矩的選擇步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的23倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）③電流的選擇靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓），綜上所述選擇電機一般應遵循以下步驟：圖213步進電機選擇方法④力矩與功率換算步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P= Ω?M Ω=2π?n/60 P=2πnM/60 （21）其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉速，M為力矩單位為牛頓?米 P=2πfM/400(半步工作）（22）其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS)⑵步進電機的主要特性：①步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉，驅(qū)動型號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機靜止，如果加入適當?shù)拿}沖信號， 就會以一定的角度（稱為步角）轉動。轉動的速度和脈沖的頻率成正比。步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉動的方向。因此，目前打印機，繪圖儀，機器人，等等設備都以步進電機為動力核心。 ②步進電機應用于低速場合每