【文章內(nèi)容簡介】 要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機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)矩就成為了 衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說 機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 。 天津職業(yè)技術師范大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 5 步進電機的分類 反應式步進電機 簡稱 VR，反應式步進電機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構簡單，成本距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應式步進電機有單段式和多段式兩種類型。 永磁式步進電機 簡稱 PM， 永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步進角比較大，它輸出轉(zhuǎn)矩 大，動態(tài)性能好，消耗功率?。ㄏ啾确磻剑?，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電。 混合 式步進電機 簡稱 HB， 混合式步進電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應式相比，結(jié)構上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁 場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱少 。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅(qū)動用的交流同步機設計的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以 脈沖電流，這種電動機也能做步進增量運動。由于能夠開環(huán)運行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機在工業(yè)領域中得到廣泛應用 。 步進電機詳細調(diào)速原理 步進電機的調(diào)速一般是改變輸入步進電機的脈沖的頻率來實現(xiàn)步進電機的調(diào)速，因為步進電機每給一個脈沖就轉(zhuǎn)動一個固定的角度，這樣就可以通過控制步進電機的一個脈沖到下一個脈沖的時間間隔來改變脈沖的頻率，延時的長短來具體控制步進角來改變電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)步進電的調(diào)速。具體的延時時間可以通過軟件程序來實現(xiàn)。 這就需要采用單片機對步進電機進行加減速控制 ,實際上就是改變輸出脈沖的時 間間隔 ,單片機控制步進電機加減法運轉(zhuǎn)可實現(xiàn)的方法有軟件和硬件兩種 ,天津職業(yè)技術師范大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 6 軟件方法指的是依靠延時程序來改變脈沖輸出的頻率 ,其中延時的長短是動態(tài)的 ,軟件法在電機控制中 , 要不停地產(chǎn)生控制脈沖 , 占用了大量的 CPU 時間 ,使單片機無法同時進行其他工作 。硬件方法是依靠單片機內(nèi)部的定時器來實現(xiàn)的 ,在每次進入定時中斷后 ,改變定時常數(shù) ,從而升速時使脈沖頻率逐漸增大 ,減速時使脈沖頻率逐漸減小 ,這種方法占用 CPU 時間較少 ,在各種單片機中都能實現(xiàn) ,是一種比較實用的調(diào)速方法。 天津職業(yè)技術師范大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 7 3 方案論證 控制方式的確定 步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)具有成 本低、簡單、控制方便等優(yōu)點，在采用單片機的步進電機開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的 CP 脈沖的頻率或者換向周期實際上就是控制步進電機的運行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實現(xiàn)步進電機的速度控制。一種是延時，一種是定時。延時方法是在每次換向之后調(diào)用一個延時子程序，待延時結(jié)束后再次執(zhí)行換向，這樣周而復始就可發(fā)出一定頻率的 CP 脈沖或換向周期。延時子程序的延時時間與換向程序所用的時間和，就是 CP 脈沖的周期，該方法簡單，占用資源少，全部由軟件實現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實現(xiàn)不同速度的運行。但占用 CPU時間長，不能在運行時處理其他工作。因此只 適合較簡單的控制過程。定時方法是利用單片機系統(tǒng)中的定時器定時功能產(chǎn)生任意周期的定時信號，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出 CP 脈沖的周期。當定時器啟動后，定時器從裝載的初值開始對系統(tǒng)及其周期進行加計數(shù)，當定時器溢出時，定時器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時中斷子程序。將電機換向子程序放在定時中斷服務程序中，定時中斷一次，電機換向一次，從而實現(xiàn)電機的速度控制。由于從定時器裝載完重新啟動開始至定時器申請中斷止，有一定的時間間隔，造成定時時間增加，為了減少這種定時誤差，實現(xiàn)精確定時，要對重裝的計數(shù)初值作適當?shù)恼{(diào)整。但是，在某些應用中，需要更多的可靠性、安全性或產(chǎn)品質(zhì)量的保證，因此，閉環(huán)控制也是一種選擇 。 以下是一些實現(xiàn)步進電機閉環(huán)控制的方法： 1) 步進確認，這是最簡單的位移控制，使用一個低值的光 電開關 計算步進移動的數(shù)量。一個簡單的回路與指令校驗的步進電機比較，驗證步進電機移動到預計的位置； 2) 反電動勢 , 一種無傳感器的檢測方法，使用步進電機的反電動勢 信號，測量和控制速度。當反電動勢電壓降至監(jiān)測探測水平時，閉環(huán)控制轉(zhuǎn)為標準開環(huán)，完成最終的位移移動； 3）全伺服控制，指全時間的使用反饋設備，用于步進電機 — 光電開關 或其它反饋傳感器上 ，從而更為精確地控制步進電機位移和轉(zhuǎn)矩。 大多數(shù)基于步進電機的系統(tǒng)，一般都運行在開環(huán)狀態(tài)下，這樣可提供一個低成本的方案。但是，當步 進電機在開環(huán)時運行，在命令步幅和實際步幅之間會有同步損耗的可能 。 閉環(huán)控制，是傳統(tǒng)步進控制的一個部分，能有效地提供更高地可靠性、安全性或產(chǎn)品質(zhì)量。在這些步進系統(tǒng)中，反饋設備或間接參數(shù)傳感天津職業(yè)技術師范大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 8 方法的閉環(huán)能進行校正或控制失步、監(jiān)測電機停滯，以及確保更大的可用轉(zhuǎn)矩輸出。然而，開環(huán)操作會有失步的風險，這將產(chǎn)生定 位失誤。但與伺服系統(tǒng)中使用的編碼器相比，閉環(huán)步進電機采用的 光電開關 成本 更低。故選擇閉環(huán)控制。 驅(qū)動方式 的 確定 步進電機的驅(qū)動一般有兩種方法，一種是通過 單片機的 CPU 直接來驅(qū)動，這種方法一般不宜采用，因為 CPU 的輸出 電流脈沖是特別小 ， 它不能足以讓步進電機的轉(zhuǎn)動；別一種是通過 單片機的 CPU來間接驅(qū)動，就是把從 CPU輸出的信號進行放大，然后直接驅(qū)動或是再通過光電 耦合 間接來驅(qū)動步進電機，這種方法比較安全可靠。固本次設計應采用 CPU 間接驅(qū)動步進電機。因為選擇了閉環(huán)控制，就必須有反饋元件，反饋元件一般有兩種，一種是采用同軸的測速發(fā)電機，把步進電機的轉(zhuǎn)速反饋回來，然后通過顯示器顯示出來并 對步進電機 轉(zhuǎn)速 進行調(diào)節(jié)；別一種是通過 光電開關 把步進電機的轉(zhuǎn)速反饋回來對步進電機進行調(diào)節(jié)；兩者相比，后者的設計比 較簡單，價格便宜，安全可靠，污染少。固 采用后者，用光電 開關 作為反饋元件。 驅(qū)動電路 的 選擇 步進電機的驅(qū)動電 路 有多種，但最為常用的就是單電壓驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動、斬波驅(qū)動、細分控制驅(qū)動等。單電壓驅(qū)動是步進電機控制中最為簡單的一種驅(qū)動電路，它在本質(zhì)上是一個單間的反相器。它的最大特點是結(jié)構簡單，因它的工作效率低，特別是在高頻下更顯的突出。它的外接電阻 R 要消耗相當一部分的熱量，這樣就會影響電路的穩(wěn)定性所以此種驅(qū) 動方式一般只用在小功率的步進電機的驅(qū)動電路中。雙電壓驅(qū)動是電路一般采用兩種電源電壓來驅(qū)動，因這兩個電源分別是一個為高壓一個為低壓，因此也稱為高低壓驅(qū)動電路。雙電壓驅(qū)動電路的缺點是在高低壓連接處電流出現(xiàn)谷點，這樣必然引起力矩在谷點處下降 ， 不宜于電機的正常運行。對于斬波電路驅(qū)動則可以克服這種缺點，并且還可以提高步進電機的效率。所以從提高效率來看這是一種很好的驅(qū)動電路，它可以用較高的電源電壓，同時無需外接電阻來限定期額定電流和減少時間常數(shù)。但由于其波形頂部呈現(xiàn)鋸齒形波動，所以會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。細分驅(qū)動是用脈沖 電壓來供電的，對于一個電壓脈沖，轉(zhuǎn)子就可以轉(zhuǎn)動一步，一般會根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞阻會輪流切換，固可以使步進電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。細分控制的電路一般分為兩類，一類是采用線性模擬功率放大器的方法獲得階梯形電流，這種方天津職業(yè)技術師范大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 9 法簡單，但效率低。別一種是用單片機采用脈寬調(diào)制的方法獲得階梯電流，這種方法需要復雜的計算可使細分后的步距角一致。但因本次設計對步進電機的精度要求比較高 ， 轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍比較廣，固應選用驅(qū)動芯片 L298 來驅(qū)動，并通過軟件來實現(xiàn)步進電機的調(diào)速。 基本方案的確定 根據(jù)設 計 的要求，選用四相 六線 20BY20H04 型的 步進電機，單片機選用STC12C5A48S2 作為控制器， 選取用 1602 液晶作為 顯示 器 ， 選用 L298 作為步進電機的驅(qū)動芯片并 聯(lián)合 光電耦合來驅(qū)動步進電機。然后 選用 光電 開關 作為反饋元件，并把反饋回的信號經(jīng) STC 單片機 處理后再由顯示器顯示出來。 本次設計要兩排顯示，一排來顯示測 定的轉(zhuǎn)速一排來顯示 日期 。系統(tǒng)原理框圖如 下圖 31所示： 圖 31 整體框圖 設計技術指標 1） .步進電機采用四相步進電機，功率為 1W； 2） .調(diào)速范圍為 0到 300r/min； 3） .最高轉(zhuǎn)速時，精度 5% 天津職業(yè)技術師范大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 10 4 硬件電路的設計 單 片機的選擇 本次設計以 CPU選用 STC12C5A48S2 作為步進電機的控制芯 片。STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機是宏晶科技 公司 生產(chǎn)的單時鐘 /機器周期(1T)的單片機，是高速 /低功耗 /超強抗干擾的新一代 8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051,但速度快 812 倍。內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路 ,2 路 PWM,8路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換 (250K/S，即 25 萬次 /秒 )， 針對電機控制，強干擾場合。 單片機的引腳功 能 ： 1） VCC（ 40）：電源 +5V。 2） GND（ 20）：接地。 3） XTL1（ 19）和 XTL2（ 18）：振蕩電路。 單片機是一種時序電路，必須有 脈沖信號才能工作，在它的內(nèi)部有一個時鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式： 一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個電容和一個晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時，需在 XTL2 上加外部時鐘信號 。 4） PSEN（ 29）：片外 ROM 選通信號，低電平有效。 5） ALE/（ 30）：地址鎖存信號輸出端 /I/0 口 。 6） RST（ 9）：復位信號輸入端。 7） EA（ 31）：內(nèi) ROM 選擇 端 8） P0 口（ 3932）：雙向 I/O 口。 P1 口（ 18）：準雙向通用 I/O 口。 9） P2 口（ 2128）： 雙向 I/O 口。 P3 口（ 1017）：準雙向通用 I/O 口。 原理圖如 41 所示： 天津職業(yè)技術師范大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 11 圖 41 STC12C5A48S2 的引腳圖 主要特性 ●高速： 1 個時鐘 /機器周期，增強型 8051 內(nèi)核，速度比普通 8051 快 8～ 12倍