【文章內(nèi)容簡介】 體化設備，電機本身固有的問題可通過驅(qū)動器或者控制器來彌補。采用細分驅(qū)動技術(shù)可以大大減少低速轉(zhuǎn)動時的振動和噪音，還可以起到減小步距角、提高分辨率、增大輸出力矩的效果；采用升降頻控制技術(shù) ,則可以克服步進電機高速起停時存在的堵轉(zhuǎn)、丟步或者過沖等問題，使步進電機轉(zhuǎn)動得更加平穩(wěn)、定位更加精確。 正弦細分驅(qū)動技術(shù) 步進電機的工作原理本質(zhì)上靠勵磁繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的合磁場帶動 轉(zhuǎn)子做同步運動。不細分時步進電機的合磁場將以一個固定的角度旋轉(zhuǎn)，如果對這個角度進行細分，那么就可以實現(xiàn)對步距角的細分。由于勵磁繞組通電之后產(chǎn)生磁通量正比于電流的大小，因而只要控制流過各個繞組的電流的大小和方向就可以控制步進電機各個繞組產(chǎn)生的合磁場的大小和方向。當步進電機工作在整步或半步時，只需對繞組進行正、反向通斷電控制，工作在細分狀態(tài)下就需要精確控制流過繞組電流的大小。如圖 ，以兩相混合式步進電機為例，如果控制繞組電流分別按照如下的正余弦規(guī)律變化，那么繞組的合成電流矢量或者合成磁場矢。 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 8 (1) ； (2) ； (3) ； (4) 其中， Ia:繞組 A的電流， Ib：繞組 B的電流， IPEAK ：繞組的電流最大值， I：合成電流矢量，θ 0：合成電流矢量的步進旋轉(zhuǎn)角度， n:控制脈沖編號 ,m：步進電機細分數(shù)。量將以恒定大小、均勻的角度θ 0 做圓周旋轉(zhuǎn)，從而使得步進電機的輸出力矩恒定 、細分步距角均勻。 圖 兩相正弦細分波形 脈沖寬度調(diào)制技術(shù) 目前一般采用脈沖寬度調(diào)制（ PWM）技術(shù)來精確控制繞組電流的大小。PWM技術(shù)是建立在以下理論基礎上：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上 ,效果基本相同。步進電機的繞組由于電流不會突變，具有明顯的慣性環(huán)節(jié) ,因此可以用 PWM技術(shù)來控制電機繞組的電流大小。如圖 示，周期脈沖信號的導通階段（ ton）對繞組進行充電，截止階段（ toff）繞組通過續(xù)流回路進行放電。當脈沖的頻率和寬度達到一定值時，繞組的電流將基本是一個 恒定值，并帶有微小的紋波信號。當脈沖寬度改變時，繞組的電流也將發(fā)生變化。所以 PWM可用來精確控制繞組電流的大小。 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 9 圖 繞組 PWM恒流斬波電壓、電流波形 升降頻控制技術(shù) 步進電機從靜止啟動時，由于慣性和摩擦力矩的作用，如果轉(zhuǎn)動頻率突變太大可能會丟步甚至堵轉(zhuǎn)；當步進電機在高速運轉(zhuǎn)時如果突然停下來，則可能會過沖，這些情況都會導致運動不平穩(wěn)以及定位精度不高。在實際應用場合中，步進電機經(jīng)常要工作在高速轉(zhuǎn)動和快速起停的狀態(tài)下，為了克服堵轉(zhuǎn)、丟步和過沖的問題，可采用升降速控制技術(shù)。由于步進電 機升速過程當中輸出力矩明顯減少，因而步進電機的升速曲線的設計尤為重要。步進電機的升速過程一般由突變頻率和加速曲線過程。突變頻率不可太高否則會丟步甚至堵轉(zhuǎn)。由步進電機的運動方程可得出理想的加速曲線為指數(shù)曲線為(其中， fm 為最高連續(xù)運轉(zhuǎn)頻率，τ：時間常數(shù) )。實際上步進電機轉(zhuǎn)動頻率不是連續(xù)變化的而是離散的，因而升速曲線一般是指運行頻率與脈沖數(shù)的關(guān)系曲線（如圖 所示）。由于單片機的硬件資源和計算能力都比較有限，一般采用各種方法來擬合升速曲線，常見的方法有臺階擬合法、直線擬合法以及查表法。出于擬合精度和實現(xiàn)難度的折中考慮，實際使用中往往采取直線擬合法。 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 10 圖 指數(shù)型升速曲線 由于步進電機降速過程中輸出力矩增大，因而對降速曲線的要求比升速曲線低得多，只要保證不因為慣性而過沖超步即可。因而實際使用中，往往采用臺階擬合法。 步進電機控制系統(tǒng) （ 1）步進電動機本體、步進電動機驅(qū)動電路和控制單元構(gòu)成步進電動機 系統(tǒng)不可分割的三大部分?？刂茊卧万?qū)動電路為控制系統(tǒng)的核心部分。 （ 2）控制單元是整個系統(tǒng)最核心的部分。用于協(xié)調(diào)各部分的運行，主要負責接收通信端口或輸入電路送來的信息，并對其進行識別、譯碼，并做出相應的動作，發(fā)出控制信號用以控制步進電動機?？刂茊卧獙嵸|(zhì)上時具有處理能力的微處 理器芯 片。 （ 3）驅(qū)動電路是負責將控制單元送來的微電流信號進行放大用以驅(qū)動步進電動機運轉(zhuǎn)，驅(qū)動電路實質(zhì)上是功率放大器。常見的驅(qū)動電路：單電壓型功放電路、高低壓切換型功放電路、斬波恒流功放電路等，再就是采用專用的集成芯片。 （ 4）其他 顯示 屏：人機交互的窗口，使用 JHD162A液晶屏。 輸入電路：用于輸入控制信息，告訴控制器如何運轉(zhuǎn) 。 課題研究的意義 步進電機作為數(shù)字式執(zhí)行元件，具有成本低，易控制、定方位和步距誤差不長期累積等優(yōu)點，被被廣泛應用在數(shù)控裝置、繪圖機、機械手、印刷和包裝設備等工業(yè)、軍事和醫(yī)療自動化領域中。在多種步進電機中，混合步進電機集反應式和永磁式步進電機的優(yōu)點于一身，應用更加普遍。但步進電機在應用中存在一些制約性的因素，步進電機及其系統(tǒng)表現(xiàn)出諸如低速平穩(wěn)性中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 11 差、高速反應能力差、效率低和能耗大等。步進電機多用于開環(huán)控制的 場合，對轉(zhuǎn)子位置不做檢測，較容易在運行過程中產(chǎn)生失步，失步和震蕩是較為嚴重的兩個問題。另外，步進電機不能簡單的直接接到普通的直流電源上運轉(zhuǎn)，它需要專門的驅(qū)動器，步進電機和與之配套的驅(qū)動器密不可分，在電機本體選定的情況下，驅(qū)動器的好壞很大程度上影響整個系統(tǒng)的運行性能。通過研制高性能的步進電機驅(qū)動器可以大大改善步進電機的運行性能。這對提高我國在這方面的科學技術(shù)水平起到了一定的促進作用，拓寬了步進電機的應用領域。因此，研究開發(fā)出高性能的步進電機有著重大的現(xiàn)代意義。 本課題主要研究的內(nèi)容 本課題主要研究的 內(nèi)容包括如下幾個方面： （ 1）分析和研究步進電機的特點及其驅(qū)動技術(shù)的控制方法。深入了解步進電機及其驅(qū)動芯片的使用方法及工作原理。 （ 2）在深入了解步進電機的基本原理的基礎上，采用 SGS公司生產(chǎn)的L297和 L298芯片及 AVR單片機設計兩相四線步進電機驅(qū)動器。 （ 3）通過軟件仿真和硬件焊接和調(diào)試等，設計出能用于實際的步進電機控制器。 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 12 2 步進電機驅(qū)動芯片 L298 的簡介 L298 簡介： L298N 為 SGSTHOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全 橋步進電機專用驅(qū)動芯片 ( Dual FullBridge Driver ) ，內(nèi)部包含 4信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相 和四相步進電機的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動 2 個二相或 1 個四相步進電機，內(nèi)含二個 HBridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準 TTL 邏輯準位信號，可驅(qū)動 46V、 2A 以下的步進電機，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的 IO 端口來提供模擬時序信號， 但在本驅(qū)動電路中用 L297 來提供時序信號，節(jié)省了單片機 IO 端口的使用。 L298N 之接腳如圖 所示， Pin1 和 Pin15 可與電流偵測用電阻連 接來控制負載的電路； OUTl、 OUT2 和 OUT OUT4 之間分別接 2 個步進電機； input1~input4 輸入控制電位來控制電機的正反轉(zhuǎn)； Enable 則控制電機停轉(zhuǎn)。 圖 (1) L298 引腳圖 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 13 圖 (2) L298 引腳圖 圖 L298 內(nèi)部邏輯圖 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 14 L298 的 絕對最大額定值 ： (表 ) 表 L298 的 絕對最大額定值 Symbol 符號 Parameter 參數(shù) Value 數(shù)值 單位 VS Power Supply 電源 50 V VSS Logic Supply Voltage 電源電壓 7 V VI,Ven Input and Enable Voltage 輸入電壓和啟用 – to 7 V IO 峰值輸出電流 (每通道 ) A 非重復性 (t= 100ms) 3 重復 (80% on – 20% off。 ton = 10ms) 直流運行 2 Vsens Sensing Voltage 感應電壓 – 1 to V Ptot Total Power Dissipation (Tcase=75℃) 總功率耗散(Tcase=75 ℃) 25 W Top Junction Operating Temperature 結(jié)工作溫度 – 25 to 130 ℃ Tstg,Tj Storage and Junction Temperature 儲存溫度 – 40 to 150 ℃ 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 15 L298 引腳功能： （表 ） 表 L298 引腳功 能 引腳 PowerSO Name Function 功能說明 1。15 2。19 Sense A。 Sense B 電流監(jiān)測端 , 15和PowerSO 的 19用法一樣， SEN SEN2分別為兩個 H 橋的電流反饋腳，不用時可以直接接地 2。3 4。5 Out 1。 Out 2 1Y 1Y2輸出端 4 6 VS 功率電源電壓 ,此引腳與地必須連接 100nF 電容器 5。7 7。9 Input 1。 Input 2 1A 1A2輸入端， TTL電平兼容 6。11 8。14 Enable A。 Enable B TTL 電平兼容輸入 1EN、 2EN 使能端，低電平禁止輸出 8 1,10,11,20 GND GND 地 9 12 VSS 邏輯電源電壓。 此引腳與地必須連接 100nF 電容器 10。 12 13。15 Input 3。 Input 4 2A 2A2 輸入端， TTL電平兼容 13。 14 16。17 Out 3。 Out 4 2Y 2Y2 輸出端 監(jiān)測引腳 15 – 3。18 . Not Connected 空 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 16 L298 的 電氣特性： （表 ） 表 L298 的 電氣特性 Symbol 符號 Parameter 參數(shù) Test Conditions 測試條件 最小 典型 最 大 單位 VS Supply Voltage (pin 4) 電源電壓（引腳 4 ） Operative Condition VIH + 46 V VSS Logic Supply Voltage (pin 9)邏輯電路電源電壓（引腳9 ） 5 7 V IS Quiescent Supply Current (pin 4) 靜態(tài)電源電流（引腳 4 ） Ven =H。IL=0 Vi =L 13 22 mA Vi =H 50 70 mA Ven =L Vi =X 4 mA ISS Quiescent Current from VSS (pin 9) VSS 的靜態(tài)電流 (引腳 9) Ven =H。IL=0 Vi =L 24 36 mA Vi =H 7 12 mA Ven =L Vi =X 6 mA ViL Input Low Voltage 輸入低電平電壓（引腳 5， 7， 10， 12） – V ViH Input High Voltage 輸入高電平電壓（引腳 5， 7， 10， 12） VSS V IiL Low Voltage Input Current 低電平輸入電流（引腳 5， 7，10， 12） Vi = L – 10 μA 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計 17 IiH High Voltage Input Current 高電平輸入電流（引腳 5， 7，10， 12） Vi = H ≤VSS – 30 100 μA Ven = L Enable Low Voltage 使能端高電平電壓（引腳 6， 11） – V Ven = H Enable High Voltage 使能端低電平電壓（引腳 6， 11） VSS V Ien = L