【文章內(nèi)容簡介】 。 由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說 的步進(jìn)電機(jī) ,在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 的步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn) 3%5%，且不累積。 溫度。 ，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)； 一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在 130℃以上，有的甚至高達(dá) 200℃以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在 80℃ 90℃完全正常。 。 ，電機(jī)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(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 ，但若高于一定 速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。 步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)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(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)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(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 步進(jìn)電動機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 本課題選擇 23HS2020 兩相步進(jìn)電機(jī) ，其 性能指標(biāo)如表 1 所示： 表 1 23HS2020 性能指標(biāo) 型號 相數(shù) 步距角 相電流 驅(qū)動電壓 最大靜轉(zhuǎn)矩 相電阻 相電感 重量 空載啟動轉(zhuǎn)速 配套驅(qū)動器 23HS2020 2 ． 3 DC（ 24V40V） 450 轉(zhuǎn) /分 SH2H057M 3 驅(qū)動原理與驅(qū)動方案的選擇 常用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制方法 直線步進(jìn)電機(jī)是典型的機(jī)電一體化元件。直線步進(jìn)電機(jī)本體、直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和控制器是構(gòu)成直線步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)不可 分割的三大部分。當(dāng)直線步進(jìn)電機(jī)本體確定后，系統(tǒng)的性能主要取決于驅(qū)動控制器的優(yōu)劣。 驅(qū)動控制原理：直線步進(jìn)電機(jī)受脈沖信號控制，接收到一個脈沖控制信號，就改變一次勵磁狀態(tài)，驅(qū)動器按設(shè)定方向驅(qū)動電機(jī)走一個固定步距。脈沖輸入越多，走過的步距越多，即走的距離越長；輸入脈沖頻率越高，速度越快；勵磁狀態(tài)改變的順序不同，電機(jī)運(yùn)行的方向就不同。因此通過控制脈沖有無，可控制電機(jī)的啟動、停止；通過控制脈沖個數(shù)可控制電機(jī)位移量，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；通過控制脈沖頻率可控制直線步進(jìn)電機(jī)的速度，達(dá)到調(diào)速的目的；通過控制勵磁狀態(tài)改變的順序 ，可控制電機(jī)的運(yùn)行方向。 常用的驅(qū)動控制技術(shù)主要有以下四種： (1)常規(guī)驅(qū)動 主要指單電壓串電阻驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動和高低壓驅(qū)動。主要通過串電阻和提高啟動電壓等簡單方法使繞組導(dǎo)通電流上升的前端變陡，改善電機(jī)高頻特性，提高電機(jī)的高頻響應(yīng)。主要優(yōu)點(diǎn)是：電路簡單、成本低。缺點(diǎn)是：能量消耗大，電機(jī)低頻運(yùn)行不平穩(wěn)，噪聲較大，控制精度不夠高。 (2)恒流斬波驅(qū)動技術(shù) 恒流斬波驅(qū)動控制技術(shù)采用脈沖調(diào)制 (PWM)等方式，使相繞組電流基本保持恒定。優(yōu)點(diǎn)是：能夠保證電機(jī)牽出轉(zhuǎn)矩的平均值基本恒定。同時，電機(jī)的高頻響應(yīng)得以提高，共振現(xiàn) 象減弱。不足是：不能解決步進(jìn)電機(jī)本身所固有的低頻振動問題。 (3)細(xì)分驅(qū)動控制技術(shù) 細(xì)分驅(qū)動也稱微步驅(qū)動。其基本思想是：在每次輸入脈沖切換時，不將相繞組電流全部通入或切除，而只改變相應(yīng)繞組中額定電流的一部分，這樣電機(jī)的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分，轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)行角度也只有步距角的一部分。利用電流控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)的微步驅(qū)動，提高步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)分辨率和運(yùn)行平穩(wěn)性，解決低頻振動問題，進(jìn)一步改善系統(tǒng)的牽出特性。 (4)加減速升降頻控制技術(shù) 加減速升降頻控制是指步進(jìn)電機(jī)以較低的速度啟動，通過逐漸加速達(dá)到較 高工作速度，然后穩(wěn)定運(yùn)行，停止時逐漸減速到較低速度，然后以低速停止。目的是：避免因失步無法啟動或啟動時失步，停止時過沖。此外，對于要求高的場合需采用有位置、速度反饋的閉環(huán)控制，但成本較高。 驅(qū)動方案的選擇 綜合考慮步進(jìn)電機(jī)各種驅(qū)動控制技術(shù)的利弊，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)， 功率放大是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)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(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢。因而不同的場合采取不 同的驅(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(xì)分?jǐn)?shù)等。獨(dú)立自行開發(fā)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器即功率放大單元很難達(dá)到比較理想的要求，我們選用了合適的步進(jìn)電機(jī)和配套的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器模塊。這樣一來，對步進(jìn)電機(jī)的控制就變得非常簡單了。 4 控制系統(tǒng)硬件 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，其中鍵盤用于 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式和參數(shù)的設(shè)定，顯示器配合鍵盤顯示設(shè)定內(nèi)容 或當(dāng)前的工作狀態(tài)、轉(zhuǎn)速等內(nèi)容 ，電源給各部分電路提供所需電 壓，保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器的保護(hù)，控制單元通過執(zhí)行程序控制各部分完成相應(yīng)功能。 光電脈沖發(fā)生器 鍵 盤 顯 示 電 源 MCS51 保護(hù)電路 驅(qū)動電路 M 速度設(shè)定 方向設(shè)定 PG 圖 1 硬件組成圖 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)以其體積小、功能齊全、價格低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在各個領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用，在我國，近幾年單片機(jī)也得到了廣泛的應(yīng)用特別是在工業(yè)控制、智能儀表等方面。而其中 MCS51 系列單片機(jī)更是以抗干擾能力強(qiáng)、對環(huán)境要求不高、靈活性強(qiáng)以及即使非電子計(jì)算機(jī)專業(yè)人員，通過學(xué)習(xí)一些專業(yè)基礎(chǔ)知識以后也能依靠自己的技術(shù)力量，來開發(fā)所希望的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)等這些別的系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點(diǎn)獲得了更好的應(yīng)用。故在本次設(shè)計(jì)中采用了 80C51 單片機(jī)。其 主要包括： 中央處理器（ CPU） 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（內(nèi)部 RAM） 外時鐘源 外部事件計(jì)數(shù) 控制 并行口 串行通信 圖 2 單片機(jī)系統(tǒng)圖 內(nèi)部程序存儲器（內(nèi)部 ROM） 定時器 /計(jì)數(shù) 器 并行 I/O 口 串行口 時鐘電路 中斷系統(tǒng) 振蕩器和時序 TMP87P809N 程序存儲器 8KB ROM 數(shù)據(jù)存儲器 256B RAM/SFR 2 16位定時器 /計(jì)數(shù)器 64KB總線 擴(kuò)展控制線 可編程 I/O 可編程全 雙工串行口 外中斷 外接晶體引腳 復(fù)位 RST9 圖 3 80C51 引腳圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的 選擇 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上 工作，而必須使用專用設(shè)備一步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動系統(tǒng)。典型步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動系統(tǒng)如圖 4 所示。 圖 4 典型步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動系統(tǒng)框圖 對于驅(qū)動器，根據(jù)其所驅(qū)動的電機(jī)確定輸入電源電壓、輸出電流模式、勵磁方式及調(diào)整輸出電流的大小。在步進(jìn)電機(jī)的控制中，大部分的驅(qū)動器都采用單脈沖控制模式，即方向模式，所以所有的驅(qū)動器需要輸入脈沖信號和方向信號。在脈沖加方向信號的控制下輸出步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的脈沖。步進(jìn)電機(jī)是一種作為控制用的特種電機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 1 2 3 4 5 6 7 8 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 RD 17 WR 16 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 10 變頻信號源 環(huán)形分配器 功率放大器 步進(jìn)電機(jī) 負(fù)載 CP=0V 方向控制 固定的角度（稱為“步進(jìn)角”）一步一步運(yùn)行的，其特點(diǎn)是沒有積累誤差 (精度 為 100%)，所以廣泛用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號，每來一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)就走一步，它的運(yùn)行要有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器來進(jìn)行驅(qū)動，驅(qū)動器把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，也就是說，控制系統(tǒng)每發(fā)出一個脈沖信號，通過驅(qū)動器就是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個步距角，因此步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。步進(jìn)電機(jī)的工作是通過對驅(qū)動器的控制來實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動器是把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的弱電信號放大為步進(jìn)電機(jī)能夠接受的強(qiáng)電信號。控制系統(tǒng)提供給驅(qū)動器的信號主要有以下兩路： 1)步進(jìn)脈沖信號 CP：這是最重要的一路信號，因?yàn)椴竭M(jìn) 電機(jī)驅(qū)動器的原理就是要把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說驅(qū)動器每接受一個脈沖信號 CP，就是驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個步距角， CP 的頻率和步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度成正比， CP 的脈沖個數(shù)決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。這樣，控制系統(tǒng)通過脈沖信號 CP 就可以達(dá)到電機(jī)調(diào)速和定位的目的。 2)方向電平信號 DIR：此信號決定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。比如說，此信號為高電平時電機(jī)為順時針旋轉(zhuǎn)，此信號為低電平時電機(jī)則為反方向逆時針旋轉(zhuǎn)。此種換向方式叫做單脈沖方式。另外還有一種雙脈沖換向方式；驅(qū)動器接受兩路脈沖信號 (一般標(biāo)注為 CW 和 CCW )，當(dāng)其中一路 (如 CW)有脈沖信號時，電機(jī)正向運(yùn)行，當(dāng)另一路 (如 CCW)有脈沖信號時，電機(jī)反向運(yùn)行。 本文選擇與 23HS2020