【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ............ 28 驅(qū)動(dòng)芯片部分 ........................................................................................................ 28 5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)試 ................................................................................................................ 29 6 結(jié)論 ................................................................................................................................. 30 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................... 31 致 謝 .............................................................................................................................. 32 【精品文檔】世界上，成功的有兩種人，一種人是傻子，一種人是瘋子。傻子是會(huì)吃虧的人，瘋子是會(huì)行動(dòng)的人！ 1 緒 論 課題的背景 步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的線性位移（角位移）的電磁裝置，是一種純粹的數(shù)字控制電機(jī)。由于步進(jìn)電機(jī)的精確性和良好的性能， 可以將數(shù)字脈沖控制的信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成一定數(shù)值的線性位移，并且自動(dòng)的產(chǎn)生定位轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而使轉(zhuǎn)軸鎖定。 當(dāng)前打印機(jī)，機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床等設(shè)備都是以步進(jìn)電機(jī)為核心。在各種控制系統(tǒng)及辦公自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域中，具有極其廣泛的應(yīng)用。 在現(xiàn)代社會(huì)，隨著科技的進(jìn)步， 使得電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。我們接觸的不管交通工具，還是家電，大多都離不開電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)是電機(jī)的一種，它可以通過開環(huán)控制，達(dá)到準(zhǔn)確定位和調(diào)速的目的。在一些重要的領(lǐng)域普通電機(jī)是無法代替的。由于微電子和 計(jì)算機(jī) 技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求與日俱增，大量用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的機(jī)具設(shè)備以及電腦的外設(shè)。比如，切割機(jī)和打印機(jī)都大量用到步進(jìn)電機(jī)。 現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)開始應(yīng)用在控制精密要求的系統(tǒng)中，其應(yīng)用范圍也越來越普遍。一般小功率步進(jìn)電機(jī)都使用單片機(jī)來驅(qū)動(dòng)工作，運(yùn)用單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖來控制開啟、正反轉(zhuǎn)和變速等。這種控制方式具有成本低，體積小，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。所以對(duì)于研究步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，具有十分遠(yuǎn)大的意義。 為此，本文設(shè)計(jì)了單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制。 步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展概況 步進(jìn)電機(jī)的研究和制造主要是從本世紀(jì) 50 年代后期開始，在 50 年代后期到 60年代后期主要是科研機(jī)構(gòu)和一些高等院校來研究一些裝置或是開發(fā)一些產(chǎn)品。在文革期間，全國(guó)各地都大量生產(chǎn)和應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)，而且都在各個(gè)行 業(yè)里使用，其中半導(dǎo)體器件的驅(qū)動(dòng)電路器件都是國(guó)產(chǎn)。 70 年代到 80 年代，各種混合式步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用。目前，能生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家非常多，但大部分都屬于仿制，具有專業(yè)技術(shù)人員，又能自行開發(fā)研制的生產(chǎn)廠家非常缺，雖然步進(jìn)電機(jī)應(yīng)【精品文檔】世界上，成功的有兩種人，一種人是傻子，一種人是瘋子。傻子是會(huì)吃虧的人，瘋子是會(huì)行動(dòng)的人！ 用廣泛，但并不能像交流電機(jī)，直流電機(jī)常規(guī)使用。它必須由脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路組成控制系統(tǒng)才能使用。用好步進(jìn)電機(jī)不是一件易事，它涉及到機(jī)械、電子、電機(jī)、計(jì)算機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)。 綜合上述情況考慮，本文決定選用四相混合式步進(jìn)電機(jī)，敘述其基本工作原理及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序。 課 題研究?jī)?nèi)容 本課題采用的研究方法是運(yùn)用單片機(jī)用軟件的方式配合有關(guān)芯片和電路元件，達(dá)到 片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，控制步進(jìn)電機(jī)的速度，并實(shí)現(xiàn)它的正反轉(zhuǎn) ，使其能在一定的范圍下運(yùn)行，以 達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制 ，使用步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)單的工作方式來實(shí)現(xiàn)個(gè)性化操作，以滿足不同用戶的要求。在期間對(duì)有可能發(fā)生的問題進(jìn)行論述，并且提出有效的解決方法。 【精品文檔】世界上，成功的有兩種人，一種人是傻子，一種人是瘋子。傻子是會(huì)吃虧的人，瘋子是會(huì)行動(dòng)的人！ 2 步進(jìn)電機(jī)的基礎(chǔ)介紹 步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的線性位移（角位移）的電磁裝置。步進(jìn)電機(jī)由于精確性良好的性能，組成的開環(huán)系統(tǒng)不僅簡(jiǎn)單而且廉價(jià)，可行 性高，目前打印機(jī)，機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床等設(shè)備都是以其為核心。在各種控制系統(tǒng)和辦公自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域中有著極其廣泛的應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)的原理 一般情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，隨著電流流過定子繞組，一矢量磁場(chǎng)就會(huì)出現(xiàn)在定子繞組上。由于磁場(chǎng)的存在，會(huì)引起轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，而且轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)方向與定子的一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)同角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。輸入一個(gè)電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，前進(jìn)一步。輸出的角位移和輸入的脈沖數(shù)、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比例關(guān)系。而且改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。綜述可知，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn) 動(dòng)可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序的方法來實(shí)現(xiàn)。 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語 ：是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)， 常用 m 表示。 當(dāng)前經(jīng)常使用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。 ：步進(jìn)電機(jī)繞組的每一次通斷電稱作一拍，經(jīng)歷一次完整的磁場(chǎng)周期性變化需要的脈沖數(shù)或者導(dǎo)電狀態(tài)，常用 n 表示，也就是電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角需要的脈沖數(shù)，以三相電機(jī)為例，有三相三拍運(yùn)行方式即 ABBCCA，三相六拍運(yùn)行方式即 AABBBCCCA。 ：輸入一 個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的相應(yīng)角位移，常用 θ 表示。 θ=360度 /（轉(zhuǎn)子齒數(shù) J*運(yùn)行拍數(shù)），用常用的二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)的步距角為 θ=360度 /（ 50*4） =（也稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)的步距角為 θ=360【精品文檔】世界上，成功的有兩種人，一種人是傻子，一種人是瘋子。傻子是會(huì)吃虧的人，瘋子是會(huì)行動(dòng)的人！ 度 /（ 50*8） =（也稱半步）。 ：電機(jī)斷電時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子所固有的鎖定力矩，一般是由磁場(chǎng)齒形的諧波和機(jī)械誤差等原因造成的。 ： 在步進(jìn)電機(jī)通電時(shí)，但轉(zhuǎn)子沒有轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，轉(zhuǎn)子的力矩被定子鎖定。通常在低速時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。隨著速度的增大， 而步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩不斷衰減，輸出功率也在相應(yīng)的變化，所以保持轉(zhuǎn)矩是衡量步進(jìn)電機(jī)重要的參數(shù)。比如，當(dāng)我們談到 的步進(jìn)電機(jī) ,在沒有具體特殊說明的情況，就是指保持轉(zhuǎn)矩是 的步進(jìn)電機(jī)。 ：當(dāng)電機(jī)處于額定靜態(tài)電作用的狀態(tài)下，電機(jī)不旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。是衡量電機(jī)體積（ Volume）的標(biāo)準(zhǔn)，不受驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源的控制。 靜轉(zhuǎn)矩和電磁激磁安匝數(shù)成正比關(guān)系，受定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙的影響，但提高靜力矩不可以一味的采用減小氣隙，增加激磁安匝的方法，這樣會(huì)帶來電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音的弊端 。 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過每個(gè)步距角的所需實(shí)際值和理論值的偏差。用百分比表示：偏差 /步距角 *100%。與拍數(shù)有關(guān)，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)。 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。 轉(zhuǎn)子齒軸線與定子齒軸線的偏移角度，電機(jī)只要運(yùn)轉(zhuǎn)，就一定有失調(diào)角的存在，失調(diào)角產(chǎn)生的誤差一般無法消除。 在某種驅(qū)動(dòng)形式下，在負(fù)載為零的情況下，電機(jī)能夠直接起動(dòng)的最大頻率。 在某種驅(qū)動(dòng)形下，在負(fù) 載為零的情況下，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速頻率 。 【精品文檔】世界上，成功的有兩種人，一種人是傻子，一種人是瘋子。傻子是會(huì)吃虧的人，瘋子是會(huì)行動(dòng)的人！ 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)通過脈沖信號(hào)控制轉(zhuǎn)動(dòng)，而脈沖也就是數(shù)字信號(hào)，這是計(jì)算機(jī)專攻的領(lǐng)域。自上世紀(jì) 80 年代開始，研究開發(fā)出了專用的 IC 驅(qū)動(dòng)電路，隨著科學(xué)的發(fā)展，研究成果的成熟，在 21 世紀(jì)的今天，步進(jìn)電機(jī)成為日常生活常見的 OA 裝置中位置控制必不可少的組成部分，步進(jìn)電機(jī)具有如下特性： 優(yōu)點(diǎn) 1． 不需要反饋，控制簡(jiǎn)單易行。 2． 步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3%5%，并且不會(huì)累積。 3． 通過單片機(jī)進(jìn)行速度控制（啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)）和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單方便。 4．在停止時(shí)也能夠保持轉(zhuǎn) 距。 5．成本低廉，不需要昂貴的保養(yǎng)費(fèi)用。 6．通過脈沖進(jìn)行精確定位。 7．不同的脈沖周期就有不同的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，速度的可任意調(diào)節(jié)。 缺點(diǎn) 8． 不能高速度運(yùn)轉(zhuǎn)而且容易發(fā)生堵轉(zhuǎn)的問題，這就是和電機(jī)本身特性有關(guān)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)通性是最高轉(zhuǎn)速為 6001200RPM 并且速度越快力氣越小，所以當(dāng)負(fù)載較重、本身力矩又不大時(shí)電機(jī)就不能高速度運(yùn)轉(zhuǎn)，還有一種情況就是即使能轉(zhuǎn)但經(jīng)常堵轉(zhuǎn)，因此選電機(jī)時(shí)應(yīng)該選擇比理論計(jì)算出的電機(jī)的力矩大 12倍的電機(jī) 9. 容易有失步的現(xiàn)象，它的主要原因是電機(jī)的力氣太小，還有一種可能就是驅(qū)動(dòng)器沒有把信 號(hào)完全發(fā)射給電機(jī)，一般情況是后者，都是驅(qū)動(dòng)器的問題，這個(gè)通過給電機(jī)配驅(qū)動(dòng)器時(shí)，恰當(dāng)?shù)剡x擇一個(gè)質(zhì)量好的驅(qū)動(dòng)器就可以解決了。 10. 電機(jī)產(chǎn)熱太大，這是因?yàn)殡娏鬟^大或者就是驅(qū)動(dòng)給電機(jī)的電流不穩(wěn)定等原因造成的，避免這個(gè)問題的方法是減小輸出的電流但電流減小但電機(jī)的力氣就會(huì)變小或更換驅(qū)動(dòng)器。 11．能源利用率低。 【精品文檔】世界上，成功的有兩種人，一種人是傻子，一種人是瘋子。傻子是會(huì)吃虧的人，瘋子是會(huì)行動(dòng)的人！ 步進(jìn)電機(jī)分類 通常情況下步進(jìn)電機(jī)可分為：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱 VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱 PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱 HB）三種。下面詳細(xì)介紹各種步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子是 由高導(dǎo)磁材料制成的，在定子上分布著多相勵(lì)磁繞組，通過磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，能夠產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩的輸出，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角較小，一般為 度，但噪聲和振動(dòng)都很大，動(dòng)態(tài)性能差。 永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和體積都較小，用多磁極的圓筒形永磁鐵制成轉(zhuǎn)子，齒狀定子分布在其外側(cè)。轉(zhuǎn)動(dòng)的產(chǎn)生是通過轉(zhuǎn)子和定子之間的相互吸引和排斥力，它的出力大，動(dòng)態(tài)性能好；但步距角比較大，一般是 度。 混合式步進(jìn)電機(jī)（ 永磁感應(yīng)子式 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) ）是 永磁式和反應(yīng)式的綜合版和升級(jí)版。集倆種步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)于一身，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小，電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是步進(jìn)電機(jī)中的姣姣者，是計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備常用的電機(jī) 。 綜上所述，本論文選用的是四相混合式（感應(yīng)子式）步進(jìn)電機(jī)。 四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理 圖 21 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖： 它的定子是四個(gè)依次排列的電磁鐵，轉(zhuǎn)子是一個(gè)能夠圍繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)的永磁體（也可能是可以被磁鐵吸引的其他磁性物體，例如鐵塊）。 【精品文檔】世界上，成功的有兩種人，一種人是傻子，一種人是瘋子。傻子是會(huì)吃虧的人，瘋子是會(huì)行動(dòng)的人！ 它一共伸出 5 根線頭，分別是 A， B， C， D， Vcc VCC 和 A， VCC 和 B， VCC 和 C 以及 VCC 和 D 分別是一個(gè)電磁鐵線圈的兩個(gè)抽頭。 如圖 22，開始時(shí)，開關(guān) SB 接通電源，開關(guān) SA、 SC、 SD 均處于斷開狀態(tài)， B 相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3 號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的 4 號(hào)齒就和 C、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5 號(hào)齒就 和 D、 A 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開關(guān) SC 接通 ，開關(guān) SB、 SA、SD 均處于斷開狀態(tài)時(shí)，由于 C 相繞組的磁力線和 4 號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)， 4 號(hào)齒和 C 相繞組的磁極對(duì)齊。而 0、 3 號(hào)齒和 A、 B 相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5 號(hào)齒就和 A、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推， A、 B、 C、 D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著 A、 B、 C、 D 方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 22 四相步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖 四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種。單四拍與雙四拍相比，步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。而八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，所以，八拍工作方式具有較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，較高的控制精度的優(yōu)勢(shì)。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖 23a、 b、 c 所示： 【精品文檔】世界上，成功的有兩種人，一種人是傻子，一種人是瘋子。傻子是會(huì)吃虧的人，瘋子是會(huì)行動(dòng)的人！ a. 單四拍 b. 雙四拍 c 八拍 圖 23 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 對(duì)步進(jìn)電機(jī)四個(gè)繞組依次進(jìn)行如下方式的循環(huán)通電控制： 單四拍運(yùn)行：正轉(zhuǎn) ABCD； 反轉(zhuǎn) DCBA 雙四拍運(yùn)行：正轉(zhuǎn) ABBCCDDA；反轉(zhuǎn) DCCBBAAD 八拍運(yùn)行：正轉(zhuǎn) AABB