【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過(guò)反饋和適當(dāng)?shù)奶幚恚詣?dòng)給出脈沖鏈，使步進(jìn)電機(jī)每一步響應(yīng)控制信號(hào)的命令，從而只要控制策 2 略正確電機(jī)不可能輕易失步。 該方案多通過(guò)一些大規(guī)模集成電路來(lái)控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對(duì)較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計(jì)，因此靈活性不高。 圖 11 基于電子電路控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng) 基于 PLC/變頻器控制手段 在一些要求實(shí)現(xiàn)精確控制的場(chǎng)合，采用 PLC 或者變頻器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制是一個(gè)很好的選擇。 PLC 也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計(jì)算機(jī)。 PLC 作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程簡(jiǎn)單易學(xué)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)有 PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)電路組成。控制系統(tǒng)采用 PLC 來(lái)產(chǎn)生控制脈沖。通過(guò) PLC 編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量，同時(shí)通過(guò)編程控制脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度。環(huán)形脈沖分配器將 PLC輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。 PLC 控制的步進(jìn)電機(jī)可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文配器。采用軟件環(huán)形分配器占用 PLC 資源較多，特別是步進(jìn)電機(jī)繞組相數(shù)大于 4 時(shí)，對(duì)于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省 PLC脈沖控制器 環(huán)形分配器 驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī) 3 資源，目前市場(chǎng)有多種專用芯片可以選用。 步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路將 PLC 輸出的控制脈沖放大，達(dá)到比較大的驅(qū)動(dòng)能力。 [2] 采用軟件來(lái)產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的環(huán)型脈沖信號(hào)，并用 PLC 中的定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生速度脈沖信號(hào)，這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，降低硬件成本。但由于 PLC 的掃描周期一般為但由于 PLC 的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)的頻率只能達(dá)到幾百赫茲，因此，受到 PLC 工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速控制。 圖 12 基于 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)圖 基于單片機(jī)控制手段 單片機(jī)在工業(yè)控制中以其高速、精準(zhǔn)、成本低廉的特性得到了廣大工程設(shè)計(jì)者的青睞，近幾年，以單片機(jī)作為控制核心的工業(yè)控制系統(tǒng)不斷被開發(fā)和應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域中，而以單片機(jī)作為核心的步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)也成為了時(shí)下比較熱門的研究課題。 [3] 圖 13 基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)圖 單片機(jī)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī) 機(jī)械裝置 外圍電路 控制版面 輸入\輸出 驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī) 負(fù)載 4 采用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)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(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤作為一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)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(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)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(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配。 本方案有以下優(yōu)點(diǎn) 單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對(duì)控制精度的影響 。用軟件代替環(huán)形分配器，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的設(shè)定，用同一種電路實(shí)現(xiàn)了多相步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，大大提高了接口電路的靈活性和通用性 。 單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。 本課題的研究思路即為 :采用單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況 步進(jìn)電機(jī)問(wèn)世以后很快就確定了開環(huán)高分辨率數(shù)控定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，在工業(yè)上的應(yīng)用發(fā)展至今己有幾十年的歷史，還沒(méi)有找到更合適的替代產(chǎn)品，而且已經(jīng)成為除了交直流電機(jī)外的第三大類電機(jī)。在其發(fā)展歷程中，出現(xiàn)了多種類型步進(jìn)電機(jī)，按照基本的構(gòu)造和工作原理可分為三大類型即磁阻式、永磁式和混合式。在日本和西方等發(fā)達(dá)國(guó)家早期都是研制和應(yīng)用磁阻式步進(jìn)電機(jī)，但是由于固有的能量利用率低、振動(dòng)和噪音大等缺點(diǎn)逐步被淘汰掉，目前在 5 國(guó)外幾乎沒(méi)有了僅僅在某些場(chǎng)合例如在溫度很高的核反應(yīng)堆中或者需要電動(dòng)機(jī)的不通電的情況下定位力矩為零的時(shí)候才使用 。永磁 式步進(jìn)電機(jī)則由于轉(zhuǎn)子永磁體加工方面的限制步距角一般較大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)分辨率比較受限，但是由于采用了低成本的爪極式結(jié)構(gòu)使得其制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格較低，容易快速批量生產(chǎn)，因而廣泛應(yīng)用于對(duì)性能要求不高的場(chǎng)合 ?；旌鲜?步進(jìn)電機(jī)則具備了反 應(yīng)式步進(jìn)電 機(jī)和永磁式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)自動(dòng)化等性能要求較高應(yīng)用場(chǎng)合的主流，它剛開始和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一同發(fā)展起來(lái)，后來(lái)逐步用于替代反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。在步進(jìn)電機(jī)幾十年的發(fā)展過(guò)程中，按照相數(shù)、步距角以及機(jī)座等劃分，可以說(shuō)出現(xiàn)過(guò)的步進(jìn)電機(jī)的規(guī)格品種極其繁多，然而這種狀態(tài)不利于步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)業(yè)的 發(fā)展，隨著時(shí)間的推移目前逐步形成了相應(yīng)的主流產(chǎn)品，在西方可以明顯看出最大量應(yīng)用的是定子 8 極轉(zhuǎn)子 50 齒的二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其次是定子10 極轉(zhuǎn)子 50 齒的五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 [4] 在我國(guó)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究始于 1958 年，當(dāng)時(shí)只有清華大學(xué)，華中理工大學(xué)等少數(shù)高等院校在從事這項(xiàng)工作。 60 年代受蘇聯(lián)的影響，主要以三相磁阻式步進(jìn)電機(jī)為主。 70 年代我國(guó)研制快走絲數(shù)控線切割機(jī)、數(shù)控機(jī)床等數(shù)控設(shè)備的需求對(duì)步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展起了很大的促進(jìn)作用。當(dāng)時(shí)受到蘇聯(lián)、日本等工業(yè)較發(fā)達(dá)國(guó)家的影響，國(guó)內(nèi)開始自行研制磁阻式步進(jìn)電機(jī)的系列產(chǎn)品 。 70 年代末形成了以定子6 個(gè)極、轉(zhuǎn)子 40 齒的三相磁阻式電動(dòng)機(jī)為主，另外還有定子 10 個(gè)極、轉(zhuǎn)子 100 齒的五相磁阻式電動(dòng)機(jī)等共存的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用局面。但是由于我國(guó)工業(yè)起步較晚且發(fā)展之初廣泛采用了磁阻式步進(jìn)電機(jī)，產(chǎn)品更新?lián)Q代沒(méi)那么快，同時(shí)磁阻式步進(jìn)電機(jī)雖然效率低、振動(dòng)和噪音大但是由于堅(jiān)固耐用、驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)成熟、價(jià)格較低，仍然很受國(guó)內(nèi)中小企業(yè)的歡迎，因此我國(guó)步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)與國(guó)外不同仍然以 6 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式分類及比較 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法的分類主要有恒電壓驅(qū)動(dòng)方式（單電壓驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)）、恒電流斬波驅(qū)動(dòng)方式（自激式恒電斬波驅(qū)動(dòng)、它激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)）和細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式。以下是這幾種驅(qū)動(dòng)方式的比較。 單電壓驅(qū)動(dòng) 圖 14 單電壓驅(qū)動(dòng)原理圖 單電壓驅(qū)動(dòng)是指在電機(jī)繞組工作過(guò)程中，只用一個(gè)方向電壓對(duì)繞組供電。如圖 14 所示， L 為電機(jī)繞組， VCC 為電源。當(dāng)輸入信號(hào)In 為高電平時(shí)，提供足夠大的基極電流使三極管 T 處于飽和狀態(tài)，若忽略其飽和壓降，則電源電壓全部作用在電機(jī)繞組上。當(dāng) In 為低電平時(shí)，三極管截止，繞組無(wú)電流通過(guò)。 7 為使通電時(shí)繞組電流迅速達(dá)到預(yù)設(shè)電流，串入電阻 Rc；為防止關(guān)斷 T 時(shí)繞組電流變化率太大，而產(chǎn)生很大的反電勢(shì)將 T 擊穿，在繞組的兩端并聯(lián)一個(gè)二極管 D 和電阻 Rd，為繞組電流提供一個(gè)泄放回路，也稱“續(xù)流回路”。 單電壓功率驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入電阻后，功耗加大，整個(gè)功率驅(qū)動(dòng)電路的效率較低，僅適合于驅(qū)動(dòng)小功率步進(jìn)電機(jī)。 高低壓驅(qū)動(dòng) 為了使通電時(shí)繞組能迅速到達(dá)設(shè)定電流，關(guān)斷時(shí)繞組電流迅速衰減為零，同時(shí)又具有較高的效率，出現(xiàn)了高低壓驅(qū)動(dòng)方式。 圖 15 高低壓驅(qū)動(dòng)原理 如圖 15 所示， Th、 T1 分別為高壓管和低壓管， Vh、 V1 分別為高低壓電源， Ih、 I1 分別為高低端的脈沖信號(hào)。在導(dǎo)通前沿用高電壓供電來(lái)提高電流的前沿上升率，而在前沿過(guò)后用低電壓來(lái)維持繞組的電流。高低壓驅(qū)動(dòng)可獲得較好的高頻特性，但是由于高壓管的導(dǎo)通時(shí)間不變，在低頻時(shí)，繞組獲得了過(guò)多的能量，容易引起振蕩。 8 可通過(guò)改變其高壓管導(dǎo)通時(shí)間來(lái)解決低頻振蕩問(wèn)題，然而其控制電路較單電壓復(fù)雜，可靠性降低，一旦高壓管失控，將會(huì)因電流太大損壞電機(jī)。 [7] 自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng) 圖 16 自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)框圖 把步進(jìn)電機(jī)繞組電流值轉(zhuǎn)化為一定比例的電壓，與 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，控制功率管的開關(guān)，從而達(dá)到控制繞組相電流的目的。從理論上講，自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)可以將電機(jī)繞組的電流控制在某一恒定值。但由于斬波頻率是可變的，會(huì)使繞組激起很高的浪涌電壓，因而對(duì)控制電路產(chǎn)生很大的干擾，容易產(chǎn)生振蕩，可靠性大大降低。 [8] 它激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng) 為了解決自激式斬波頻率可變引起的浪涌電壓?jiǎn)栴}，可在 D 觸發(fā)器加一個(gè)固定頻率的時(shí)鐘。這樣基本上能解決振蕩問(wèn)題，但仍然存在一些問(wèn)題。比如：當(dāng)比較器輸出的導(dǎo)通脈沖剛好介于 D 觸發(fā)器D/A輸出預(yù)設(shè)值 比較器 D觸發(fā)器 功率放大器 步進(jìn)電機(jī) 電流檢測(cè) 9 的 2 個(gè)時(shí)鐘上升沿之間時(shí)，該控制信號(hào)將丟失，一般可通過(guò)加大 D觸發(fā)器時(shí)鐘頻率解決。 細(xì)分驅(qū)動(dòng) 要了解步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 “ 細(xì)分 ” ，先要弄清步進(jìn)電機(jī) “ 步距角 ” 這個(gè)概念：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如 86BYG250A 型電機(jī)給出的值為 176。 /176。（表示半步工作時(shí)為 176。、整步工作時(shí)為 176。），這個(gè)步距角可以稱之為 ‘ 電機(jī)固有步距角 ’ ，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)，參見下表（還以型 86BYG250A 電機(jī)為例）： 表 細(xì)分驅(qū)動(dòng)步距角 電機(jī)固有步距角 所用驅(qū)動(dòng)器類型及工作狀態(tài) 電機(jī)運(yùn)行時(shí)的真正步距角 176。 /176。 驅(qū)動(dòng)器工作在半步狀態(tài) 176。 176。 /176。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在 5 細(xì)分狀態(tài) 176。 176。 /176。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在 10 細(xì)分狀態(tài) 176。 176。 /176。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在 20 細(xì)分狀態(tài) 176。 10 從上表可以看出：步進(jìn)電機(jī)通過(guò)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)，其步距角變小了，如驅(qū)動(dòng)器工作在 10 細(xì)分狀態(tài)時(shí)，其步距角只為 ‘ 電機(jī)固有步距角 ’ 的十分之一，也就是說(shuō)： ‘ 當(dāng)驅(qū)動(dòng)器工作在不細(xì)分的整步狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 176。；而用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在 10 細(xì)分狀態(tài)時(shí)，電機(jī)只轉(zhuǎn)動(dòng)了 176。，這就是細(xì)分的基本概念’。 [10] 細(xì)分功能完全是由驅(qū)動(dòng)器靠精確控制電機(jī)的相電流所產(chǎn)生的，與電機(jī)無(wú)關(guān)。驅(qū)動(dòng)器細(xì)分后的主要優(yōu)點(diǎn)為： 完全消除了電機(jī)的低頻振蕩 低頻振蕩是步進(jìn)電機(jī)（尤其是反應(yīng)式電機(jī)）的固有特性，而細(xì)分是消除它的唯一途徑，如果步進(jìn)電機(jī)有時(shí)要在共振區(qū)工作（如走圓弧），選擇細(xì)分驅(qū)動(dòng)器是唯一的選擇。 提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 尤其是對(duì)三相反應(yīng)式電機(jī)，其力矩比不細(xì)分時(shí)提高約 3040% 。 提高了電機(jī)的分辨率 由于減小了步距角、提高了步距的均勻度， ‘ 提高電機(jī)的分辨率 ’ 是不言而喻的。 以上這些優(yōu)點(diǎn)，尤其是在性能上的優(yōu)點(diǎn)，并不是一個(gè)量的變化，而是質(zhì)的飛躍。 研究的目的和意義 本課題研究的目的是綜合運(yùn)用所學(xué)的《單片機(jī)原理及其接口技術(shù)》理論知識(shí)，加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，鍛煉設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能力，以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但功能較為齊全、適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便、交互性強(qiáng)，可靠性高的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。 11 本課題研究的意義是了解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成，學(xué)習(xí)單片工作原理及其內(nèi)部工作狀態(tài)，并熟悉不同時(shí)刻，單片機(jī)輸入輸出情況；了解步進(jìn)電機(jī)的分類和用途，掌握步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理，并學(xué)習(xí)使用單片機(jī)簡(jiǎn)單控制步進(jìn)電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)、加速、減速以及簡(jiǎn)單了解國(guó)內(nèi)外步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r。 論文安排 本論文首先簡(jiǎn)單介紹了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進(jìn)電機(jī)常見的控制系統(tǒng)方案和常見的驅(qū)動(dòng)方案，在這個(gè)基礎(chǔ)上提出了自己的設(shè)計(jì)目的，即設(shè)計(jì)一套硬件系統(tǒng)較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但功能較為齊全，適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便，交互性強(qiáng)，可靠性高，而且能在目前的職業(yè)教學(xué)中得到事半功倍的教學(xué)效果的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。接著用較大的篇幅介紹了步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)、分類和工作原理，然后分別闡述了所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的功能和操作、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)。具體安排如下 : 第一章為緒論，介紹了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展的歷史，然后介紹了步進(jìn)電機(jī)常見的控制系統(tǒng) 方案和常見的驅(qū)動(dòng)方案，了解各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出自己的思路和設(shè)計(jì)目的。 第二章步進(jìn)電機(jī)的概述，闡述步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)、分類和工作原理，為后面的硬件、軟件設(shè)計(jì)提供必須的理論基礎(chǔ)。 第三章為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)概述，在框架結(jié)構(gòu)上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行介紹，而且重點(diǎn)闡述基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)的一般框架，為自己的設(shè)計(jì)