【文章內容簡介】 用。 步進電動機今后的發(fā)展，依賴于新材料的應用，設計手段的完善，以及與驅動技術的最佳配合。首先，精確的分析和設計，模型的建立和完善，是一項重要的基礎研究，至今還有很多工作要做，它可以為各類問題的深入分析提供基礎，為優(yōu)化設計指出方向。其次，電力電子技術、微電子技術的發(fā)展，高性能永磁材料的應用及優(yōu)化設計技術起到明顯的作用自不待說，驅動技 術改進的作用也不容忽視，特別是微步驅動技術的應用和成熟，使步進電動機的分辨率和特性與相數的關系不大，對步進電動機的設計，今后的發(fā)展會產生很大的影響，也提出了一系列新的課題和研究方向 [2]。 課題研究的意義 隨著步進電動機系統(tǒng)在各種數字控制系統(tǒng)中的廣泛應用，各種數字控制系統(tǒng)隨步進電機性能和使用條件的要求也越來越高。這就要求不斷研制出高性能高可靠性高集成化低價位的驅動器滿足要求。眾所周知，國內這方面的研究一直很活躍，但是可供選用的高性能的步進電動機驅動器卻很少，而且國內的驅動器方面基本都存在著體積 大、外形 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 尺寸不規(guī)則、性能指標不穩(wěn)定及遠沒有達到系列 化 等問題，這就給驅動器的選用和安裝帶來了極大的不便，國外 雖然 有通用的各種類型的步進電動機驅動器，但大都存在價格昂貴，與我國的系統(tǒng)連接不匹配等問題。 步進電動機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅動器，步進電動機系統(tǒng)的性能，除與電動機自身的性能有關外，也在很大程度上取決于驅動器的性能。步進電動機在運行時，一般有以下問題： 各相繞組都是開關工作，多數電動機繞組都是連續(xù)的交流或直流，而步進電動機各項繞組都是脈沖式供電所以繞組電流不是連續(xù)的。 電動機各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以都有較大的電感。繞組通電時，電流不能迅速上升至額定值，電流上升率 受 到限制，繞組斷電時，應該電流截止的相不能立即截止。繞組導通和截止都會產生較大的反電勢，而截止時反電勢將對驅動器器件的安全產生有害的影響。 電動機運轉時在各相繞組中產生旋轉電勢，這些電勢的大小和方向將對繞組電流產生很大的影響。由于旋轉電勢基本上與電動機轉速成正比，轉速越高， 電勢 越大，繞組電流越小，從而使電機輸出轉矩也隨著轉速升高而下降。 步進電機的固有分辨率不高，不能精密位移。以使用最廣的 8 極 50 齒兩 相 混 合式步進電動機為例，其步距角為 176。/176。，需配合機械減速機構以達到所需要的脈沖當量精度，但是，機械系統(tǒng)的增加也同樣帶來了一個誤差源。 步進電動機在低頻運行時的振蕩及過沖問題，嚴重限制了步進電動機的應用范圍。對這個問題的解決辦法，除了改善負載特性及附加機械阻尼外，還可以在驅動電源方面加以改善，如引入電磁阻尼、采用細分驅動等辦法來解決。 近代驅動技術的發(fā)展，使得電動機每轉步數的設計可以不受相數的限制，本課題以四相混合式步進電動機為代表作為研究對象，以先進的驅動技術為研究目的，開發(fā)高性能，高可靠性的驅動器 ，與四相混合式步進電動機合理搭配使用。其技術指標如下： 額定電壓： 10～ 45V 額定電流： 工作方式：連續(xù) 轉矩輸出：在一定頻率范圍內恒定 細分檔位： 0， 2， 4， 8， 16 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁 鑒于上述原因，本課題對步進電動機的驅動電 路 及其驅動控制方式進行應用性研究，做出適合步進電動機運行特性的驅動控制方式及電路，對提高四相混合式步進電動機系統(tǒng)的性能，推動步進電動機的廣泛應用，發(fā)展新一代高性能混合式步進電動機驅動系統(tǒng)，不僅具有較高的現實意義，而且具有一定的經濟價值。 步進電動機驅動技術 研究現狀 隨著科學技術的發(fā) 展，步進電機的驅動電路也不斷改進，發(fā)展了好幾種驅動方式。一般而言，步進電機的驅動方式有以下幾種： (1)單電壓串電阻驅動 單電壓串電阻驅動器是最早的驅動器，是實現驅動器的基本功能的最簡單的電路實現形式。 單電壓串電阻驅動主電路采用單管單端結構，串電阻是為了使繞組導通電流上升的前端變陡，改善高頻的特性。這種驅動器的主要優(yōu)點是電路簡單，成本低；缺點是運行效率低，電阻能量消耗大，電阻發(fā)熱還會影響整個系統(tǒng)的工作條件。 (2)雙電壓驅動 雙電壓驅動的基本思想是在較低的頻率段用較低的電壓驅動，而在高頻段時用較高的電壓驅 動，其主電路采用的是雙管雙端驅動結構。 繞組中串聯電阻 必 不可少，驅動器存在較嚴重的發(fā)熱問題。轉換頻率將整個頻域分成兩段，特性不連續(xù)，在低于 或 接近轉換頻率時輸出特性下降較大。 (3)高低壓驅動 基本思想是在導通相的前沿用高電壓驅動提高繞組導通電流的前沿，而在沿過后用低壓驅動維持繞組電流。 主電路采用雙管雙端結構。繞組中不需限流電阻，不存在電阻的發(fā)熱問題。優(yōu)點是電機相繞組在很寬的頻域都保持很大的平均電流，截止時瀉放迅速，擴大了步進電機的運行頻域；缺點是低頻運行時，繞組的上沖電流比較大，電機的低頻域運行不平穩(wěn)，噪聲較大。 (4)斬波恒流驅動 主回路由高壓晶體管、電機繞組和低壓晶體管串聯組成，逆變橋可以是多相 H 半橋結構，也可以是 H 橋。 這類驅動器的優(yōu)點是單步響應沖量小，能夠抑制低頻振蕩，運行頻域寬；缺點是慣 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 性濾波環(huán)節(jié)影響了系統(tǒng)的動態(tài)特性。 (5)細分驅動 細分驅動也稱為微步驅動。 即：將一個步距角細分成若干個步的驅動方法。 細分驅動是美國學者在七十年代中期首次提出，它是建立在步進電機的各相繞組理想對稱和距角特性嚴格 正弦 的基礎上的，通過控制電動機各相繞組中電流的大小和比例，使步距角減小到原來的幾分之一至幾十分之一。 細分驅 動的基本思想是在每次輸入脈沖時，不是將相繞組電流全部通入或者切除，而是只改變相應繞組中額定電流的一部分，這樣，電動機的合成磁勢也只旋轉步距角的一部分，轉子的每步運行角度也只有步距角的一部分。利用電流控制技術可以有效的實現步進電機的細分驅動。 細分驅動器有效抑制了步進電機低頻運行震蕩，控制精度很高，是步進電機驅動器的發(fā)展方向 [3]。 步進電動機細分驅動技術研究現狀 步進電動機的細分技術實質上是一種電子阻尼技術，其主要目的是提高電機運轉性能，實現步進電機步距角的高精度細分。步進電機細分技術首先由美國學 者 在美國增量運動控制系統(tǒng)及器件年會上提出。 20 世紀 70 年代中期步進電動機細分驅動技術開始發(fā)展起來，它在改善步進電機綜合使用性能上有廣泛的應用，國內步進電機細分驅動技術在 20 世紀 90 年代中期得到較大的發(fā)展，廣泛地應用于運動控制領域，如數控機床、機器人等。目前國內外步進電機細分技術的最高微步距細分水平為 ,而隨著科學和工業(yè)技術的發(fā)展，這一細分水平對于目前很多要求 5 以下的微步距來說，仍不能滿足要求。主要的原因是由于電機“電流 轉角”特性的非線性，使得細分控制函數的數學模型很難統(tǒng)一確定，所以獲得均勻步距細分電流的數據比較難，這樣限制了步進驅動的高精度發(fā)展。目前獲得細分電流數據常用方法有： (1)線性函數法 各步電流值以成線性函數關系來確定，優(yōu)點是簡單，但步距角不均勻，容易引起振動和失步，并產生滯后角，限制了細分數的增加。 (2)正弦函數法 以恒幅均勻旋轉為目的，同時改變兩 相 電流的大小按正余弦規(guī)律變化而建立的數學模型。它是一種基于交流同步電機概念的特殊細分技術，實質是 對運行于交流同步狀態(tài) 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 的步進電機所受的交流模擬信號在一個周期內細分，當細分數相當大時，電機繞組的電流信號就逼近模擬連續(xù)信號。這種細分技術理論上實現了恒幅均勻旋轉，但事實上由于電機運行的非線性而并非真正實現恒幅均勻的目的。 (3)實驗逼近法 用實驗的方法，在某一相通入一定電流而使電機轉過一細分角，獲得數據，通過多次測試，修正數據，得到細分的階梯波。這種方法原理上可行，但測量手段復雜，精度難以保證。 (4)模型函數法 結合上面幾種方法，先通過試驗獲得特定系統(tǒng)的細分波形數據，再通過數學處理找到此系統(tǒng)的細分控制模型函 數，最后通過此函數確定細分流。 (5)控制函數自動修正法 通過對固化在 EPROM中的控制函數值反復測定比較而進行指令修正以獲得最佳細分電流。細分控制函數自動修正法控制精度最高，但需用角編碼器等等組成一定功能的線路，而角編碼器造價很高，對于一般控制系統(tǒng)會使自動修正系統(tǒng)失去應有的意義 [4]。 在 步進電動機驅動器控制 芯片的選擇上，目前國內工業(yè)控制場合中用的嵌入式工控設備大多采用的是以 8 位單片機 (如 MCS51)為內核，有價格低廉、設計較容易、能達到一般要求的 優(yōu)點 ，但也存在著存儲容量小，獨立工作 時 功能較弱，較強 功能要與 PC 機聯機才能實現，實時性能不強，人機交互復雜，操作不方便等問題。如選用功能強大的32 位嵌入式微處理器來代替 8 位單片機，再把控制器與電源、步進電動機和被控設備集成與一體，將形成嵌入式一體化工業(yè)控制機。 ARM 對步進電動機控制有高的實時性、可靠性；能滿足人機界面友好，開發(fā)環(huán)境友善，可操作性高，成本低等特別要求。在步進電機控制系統(tǒng)中，在工件需做往返運動或需要精確定位等場合，將會使這種嵌入式系統(tǒng)得到廣泛應用。如可用作為氣動加工、激光加工、自動焊接設備的控制系統(tǒng)等。 論文主要研究內容 針對以上問題及 步進電動機細分技術的現狀， 本課題 提出了一種 以 4 相混合式步進電機為控制對象，采用集成電路驅動技術，基于 CORTEXM3 內核的 LM3S1138 處理 器 為控制 器 設計出高性能的最大細分數為 1/16 的步進電機驅動 系統(tǒng) 。目的是實現一個高轉、低振動水平、低噪音、快速響應和高效驅動的步進電動機控制系統(tǒng)。 主要研究內容有 : 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 (1) 步進電機工作原理和多種控制方法； (2) 4 相步進電機正弦波驅動器 STK672080 的細分應用； (3) 步進電動機細分控制系統(tǒng)的軟、硬件設計。 主要完成的工作有 : (1) 系統(tǒng)總體方案設計 閱 讀并比較文獻資料中已有的控制方案，確定出系統(tǒng)總體方案； (2) 系統(tǒng)硬件電路的設計 在硬件設計方面，完成硬件電路的設計，繪制出該系統(tǒng)的硬件電路原理圖。 (3) 系統(tǒng)控制部分軟件的設計 按照系統(tǒng)功能的要求，對系統(tǒng)進行合理的分析與規(guī)劃，確定軟件流程、系統(tǒng)軟件整體結構設計、系統(tǒng)各部分功能的軟件實現。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 2 混合式步進電機的工作原理及其驅動系統(tǒng) 步進電動機 是將電脈沖信號轉換為相應的角位移或直線位移的一種特殊電機。每輸入一個電脈沖信號，電 機就轉動一個角度，它的運動形式是步進式的，所以稱為步進電動機。又由于它輸入的是脈沖信號，所以也叫脈沖電動機 [5]。 混合式步進電機的結構組成特點 混合式步進電機是一種十分流行的步進電機?；旌鲜讲竭M電動機具有完全對稱的結構，對提高它的整體性能很重要。結構上，它的定轉子上開有很多齒槽，這與反應式步進電動機相似，磁路內含有永久磁鋼，這與永磁式步進電動機相似；性能上，既具有反應式步進電機的高分辨率，每轉步數比較多的特點，又具有永磁式步進電機的高效率，繞組電感比較小的特點，故稱混合式 [6]?；旌鲜讲竭M電機也 稱為永磁感應子式步進電動機，既可用作同步電動機進行速度控制，也可用作步進電機進行位置開環(huán)控制。 混合式步進電機的軸視圖和截面圖如圖 所示 [7]，它主要由定子和轉子兩部分組成。定子被分成若干個磁極，每個磁極上繞有勵磁線圈，磁極末端有均勻的小齒。極上線圈能以兩個方向通電。轉子由兩段鐵心及環(huán)形永久磁鋼組成，兩段鐵心裝在環(huán)形永久磁鋼的兩端，并且每段鐵心的圓周上都均勻分布有一定數量的小齒，兩段鐵心上的小齒相互錯開半個齒距，且小齒的齒距與定子上小齒的齒距相同。環(huán)形永久磁鋼軸向充磁，使得同一段鐵心上的小齒都具有相同極 性，而兩塊不同段鐵心上的齒的極性相反。 圖 混合式步進電機的軸視圖和截面圖 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 混合式步進電動機的工作原理 不同相數的混合式步進電動機如二相、三相、五相、九相和十五相等，它們的工作原理都基本相同?；旌鲜讲竭M電動機作用在氣隙上的磁動勢有兩個，一個是由永久磁鋼產生的磁動勢，另一個是由控制繞組電流產生的磁動勢。這兩個磁動勢有時是相加的，有時是相減的，視控制繞組中電流方向而定。 如圖 所示的是一臺四相混合式步進電動機的結構示意圖。定子是四相八極，每個定子磁極上有 5 個小齒，轉子上有 50 個小齒。從電動 機的某一端看，當定子的一個極上的小齒與轉子的小齒軸線重合時，相鄰極上定轉子的齒就錯開 1/4 齒距。在圖 中從 I 端看，磁極“ 1”和“ 5”下定轉子齒軸線重合，“ 2”極下錯開 1/4 齒距，“ 3”極和“ 7” 極下則定子齒與轉子槽的軸線相重合。定子為