【文章內(nèi)容簡介】 步。步進電機的角位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率(f)成正比，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，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。如下圖6所示的步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖6 四相步進電機步進示意圖開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖7所示： 圖7 步進電機工作時序波形圖 步進電機常見的控制方案與驅(qū)動技術(shù)簡介（一）常見的步進電機控制方案基于電子電路的控制步進電機受電脈沖信號控制，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動作來實現(xiàn)。由于脈沖控制信號的驅(qū)動能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動電路。步進電機與控制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體，構(gòu)成步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計簡單，功能強大，可實現(xiàn)一般步進電機的細分任務(wù)。這個系統(tǒng)由三部分組成：脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。系統(tǒng)組成如圖8所示。圖8 基于電子電路控制系統(tǒng)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(shè)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(yīng)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(shè)計，因此靈活性不高。基于PLC的控制基于PLC的步進電機控制系統(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(gòu)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(gòu)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(yīng)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)形分配器。 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。并且在速度較高時，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度就降低了?；趩纹瑱C的控制采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)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(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)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(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)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：(1)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；(2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設(shè)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；(3)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?；谝陨细鞣N方案的對比，可以看出基于單片機的步進電機控制優(yōu)勢明顯，故本次設(shè)計采用基于單片機的控制方案。（二）步進電機驅(qū)動技術(shù)步進電動機上個世紀就出現(xiàn)了，它的組成、工作原理和今天的反應(yīng)式步進電動機沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。步進電機驅(qū)動技術(shù)指的是用步進電機驅(qū)動器的驅(qū)動級來實現(xiàn)對步進電機各相繞組的通電和斷電，同時也是對繞組承受的電壓和電流進行控制的技術(shù)。到目前為止，步進電機驅(qū)動技術(shù)通常分為單電壓驅(qū)動、單電壓串電阻驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、升頻升壓驅(qū)動和細分驅(qū)動等。單電壓驅(qū)動是通過改變電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低；缺點是串接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗，尤其是在高頻工作時更加嚴重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜艘蟛桓叩牟竭M電機驅(qū)動。這種驅(qū)動方式目前主要用于小功率或啟動、運行頻率要求不高的場合。高低壓驅(qū)動是指不論電動機的工作頻率是多少，在導通相的前沿用高電壓供電來提高電流的上升沿斜率，而在前沿過后采用低電壓來維持繞組的電流，即采用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過改善電路的時間常數(shù)來使矩頻性能得以提高。但是使用這種驅(qū)動方式的電機，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機的輸出力矩有所下降。這種驅(qū)動方式目前在實際應(yīng)用中還比較常見。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。細分驅(qū)動時，繞組電流不是一個方波而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除。比如：電流分成n個臺階，轉(zhuǎn)子則需要n次才轉(zhuǎn)過一個步距角，即n細分細分驅(qū)動最主要的優(yōu)點是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機的定位精度、啟動性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩：其次，減弱或消除了步進電機的低頻振動，降低了步迸電機在共振區(qū)工作的幾率?？梢哉f細分驅(qū)動技術(shù)是步進電動機驅(qū)動與控制技術(shù)的一個飛躍。 通過對比以上各種驅(qū)動技術(shù)，我們可以看出細分驅(qū)動技術(shù)優(yōu)勢明顯，其控制的步距角小，定位精度高，啟動性能好等，此次設(shè)計也是采用的細分驅(qū)動技術(shù)。 系統(tǒng)總體設(shè)計方案步進電機的控制系統(tǒng)的框圖如圖9所示：AT89S52鍵盤輸入數(shù)碼管顯示ULN2003A步進電機驅(qū)動電路步進電機LED指示燈紅外接收頭電源電路振蕩電路復位電路圖9 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)設(shè)計方案與功能簡述本次設(shè)計采用AT89S52單片機作為控制器元件。整個控制系統(tǒng)主要由四部分組成，各部分主要功能簡介如下：(1) 鍵盤與紅外控制電路部分 、采用獨立按鍵設(shè)計。其功能分別為：正轉(zhuǎn)（加速）、反轉(zhuǎn)（減速）、停止。紅外接收頭采用萬能式一體式接收頭，（INT0）口，通過外部中斷在接收處理遙控器發(fā)射的控制信號。在軟件中，采用循環(huán)掃描法來實現(xiàn)鍵盤的識別與處理。(2) 顯示電路控制部分在此次設(shè)計里，顯示器件采用了一位8段共陽LED數(shù)碼管顯示器。通過它來顯示步進電機當前運行級別等級。顯示硬件電路采用共陽數(shù)碼管加PNP型9012三極管驅(qū)動，驅(qū)動電流更大，使數(shù)碼管更加明亮，使電路的連接更加規(guī)范穩(wěn)定。(3) 步進電機的勵磁控制步進電動機的勵磁方式可以分為全步勵磁及半步勵磁。適當控制步進電機A、B、/A、/B的勵磁信號，即可控制步進電機的轉(zhuǎn)動。每輸出一個脈沖信號，步進電動機只走一步。因此，依序不斷地送出脈沖信號，即可令步進電動機連續(xù)轉(zhuǎn)動。在本設(shè)計中，通過設(shè)置AT89S52的定時器的初始值來實現(xiàn)89C51的端口輸出相應(yīng)的相序脈沖，從而實現(xiàn)對步進電機的控制。(4) 步進電機的驅(qū)動電路在本設(shè)計中，采用ULN2003A作為步進電機的驅(qū)動芯片，ULN2003A是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個硅NPN 達林頓管組成的驅(qū)動芯片。經(jīng)常用在顯示驅(qū)動、繼電器驅(qū)動、照明燈驅(qū)動、電磁閥驅(qū)動、伺服電機、步進電機驅(qū)動等電路中。ULN2003 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行穩(wěn)定的運行。是最佳的驅(qū)動選擇之一。 小結(jié)本章主要介紹了此次設(shè)計中所用的各種器件以及整個系統(tǒng)設(shè)計的總體方案，包括AT89S52單片機介紹、基本器件四相五線永磁型步進電機M35SP7NP簡介、步進電機驅(qū)動芯片ULN2003A簡介以及紅外遙控簡介等，并繪出了系統(tǒng)框圖，對各部分框圖的功能進行了介紹。在下一章將通過具體的電路來實現(xiàn)上述框圖的功能。第三章 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計 單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計圖10所示的為AT89S52單