【正文】 位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關。（3）步進電機的特點①一般步進電機的精度為步進角的3～5%，且不累積。②步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點。一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80～90度完全正常。③步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機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，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。④步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有噪聲。步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機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，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。步進電動機以其顯著的特點，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)字化技術的發(fā)展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。（4）步進電機在應用中的注意點①步進電機應用于低速場合每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（)，最好在1000～3000PPS（）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低；②步進電機最好不要使用整步狀態(tài)，因為整步狀態(tài)時振動大；③只有標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓，當然12V的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源，不過要考慮溫度的變化；④轉(zhuǎn)動慣量大的負載應選擇大機座號電機；⑤電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速；⑥高精度時，應通過機械減速、提高電機速度或采用高細分數(shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是不準確的。（二）步進電機的原理 步進電機的工作就是步進轉(zhuǎn)動，其功用是將脈沖電信號變換為相應的角位移或是直線位移，就是給一個脈沖信號，電動機轉(zhuǎn)動一個角度或是前進一步。步進電機的角位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率(f)成正比，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。步進電機的驅(qū)動電路是根據(jù)控制信號來工作的，控制信號則是由PIC由單片機產(chǎn)生。其基本原理如下：（1）控制步進電機的速度如果單片機給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖之間的間隔越短，步進電機就會轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整。（2）控制換相順序脈沖分配是指通電換相這一過程。四相步進電機的工作方式如下：單相四拍工作方式：正轉(zhuǎn)通電順序為： ABCDA反轉(zhuǎn)通電順序為： DCBAD四相八拍工作方式：正轉(zhuǎn)通電順序為： AABBBCCCDDDAA反轉(zhuǎn)通電順序為： DDCCCBBBAAADD控制步進電機的轉(zhuǎn)向，如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。如下所示的步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。圖21四相步進電機步進示意圖開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當開關SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。 步進電機的驅(qū)動(一)步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設備——，除與電機本身的性能有關外，也在很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。典型的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)是由步進電機控制器、步進電機驅(qū)動器和步進電機本體三部分組成。步進電機控制器發(fā)出步進脈沖和方向信號，每發(fā)一個脈沖，步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個步距角。步進電機轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低?？刂破鞯姆较蛐盘枦Q定步進電機的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。通常，步進電機驅(qū)動器由邏輯控制電路、功率驅(qū)動電路、保護電路和電源組成。步進電機驅(qū)動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進脈沖，控制電路就按預先設定的電機通電方式產(chǎn)生步進電機各相勵磁繞組導通或截止信號?？刂齐娐份敵龅男盘柟β屎艿停荒芴峁┎竭M電機所需的輸出功率，必須進行功率放大，這就是步進電機驅(qū)動器的功率驅(qū)動部分。功率驅(qū)動電路向步進電機控制繞組輸入電流，使其勵磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。保護電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅(qū)動器和電機的運行。(二)步進電機的驅(qū)動方式步進電機比較常用的驅(qū)動方式是全電壓驅(qū)動，即在電機移步與鎖步時都加載額定電壓。為防止電機過流和改善驅(qū)動特性需要加限流電阻。由于步進電機鎖步時，限流電阻要消耗掉大量的功率。因此，限流電阻要有較大功率容量，并且開關管也必須有較高的負載能力。步進電機的另一種驅(qū)動方式是高低壓驅(qū)動，即在電機移步時加額定或超過額定值的電壓，在較大電流驅(qū)動下，使電機快速移步。而在鎖步時則加低于額定值的電壓，只讓電機繞組渡過鎖步所需的電流值。這樣既可以減少限流電阻的功率消耗，又可以提高電機運行速度，但這種驅(qū)動方式的電路相對要復雜一些。驅(qū)動脈沖的分配可以使用硬件方法，即使用脈沖分配器實現(xiàn)?，F(xiàn)在脈沖分配器已經(jīng)標準化，芯片化，市場上可以買到。但硬件方法不但結(jié)構(gòu)復雜，而且成本也較高。步進電機控制也可以使用軟件方法，即使用單片機實現(xiàn)，這樣不但簡化了電路，而且也降低了成本。使用單片機以軟件方法，驅(qū)動步進電機，不但可以通過編程方法在一定范圍內(nèi)自由地設定步進電機的轉(zhuǎn)速，往返轉(zhuǎn)動的角度以及轉(zhuǎn)動次數(shù)等，而且還方便靈活控制步進電機的運行狀態(tài)。圖 22驅(qū)動器構(gòu)成步進電動機驅(qū)動器的主要構(gòu)成如圖22所示，一般由環(huán)形分配器、信號處理級、推動級、驅(qū)動級等部分組成，用于功率步進電動機的驅(qū)動器還要有多種保護線路。環(huán)形分配器用來接受來自控制器的CP脈沖，并按步進電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導通或截止的信號。每來一個CP脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。因此，步進電動機轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、起動或停止都完全取決于CP脈沖的有無或頻率。同時，環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序或者按反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進電動機的轉(zhuǎn)向。接受CP脈沖和方向電平是環(huán)形分配器的最基本功能。從環(huán)形分配器輸出的各相導通或截止的信號送入信號放大與處理級。信號放大的作用是將環(huán)形分配輸出信號加以放大，變成足夠大的信號送入推動級，這中間一般既需電壓放大，也需電流放大。信號處理級是實現(xiàn)信號的某些轉(zhuǎn)換、合成、產(chǎn)生斬波、抑制等特殊功能的信號，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動。本級還經(jīng)常與各種保護電路、各種控制電路組合在一起，形成較高性能的驅(qū)動輸出。推動級的作用是將較小的信號加以放大，變成足以推動驅(qū)動級輸入的較大信號。有時，推動級還承擔電平轉(zhuǎn)換的作用。保護級的作用是保護驅(qū)動級的安全。一般可根據(jù)需要設置過電流保護、過熱保護、過壓保護、欠壓保護等。有時還需要對輸入信號進行監(jiān)護，發(fā)現(xiàn)輸入異常也提供保護動作。驅(qū)動級直接與步進電動機各相繞組連接，它接受來自推動級的信號，控制電動機各相繞組的導通與截止，同時也對繞組承受的電壓和電流進行控制。 步進電機控制系統(tǒng)的構(gòu)成步進電機控制系統(tǒng)由步進電機、功率放大器和步進控制器組成，如圖23所示。圖 23步進電機控制系統(tǒng)組成圖步進控制器包括緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正反轉(zhuǎn)控制門等。其作用是把輸入脈沖變?yōu)榄h(huán)形脈沖，以便實現(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)動和正反向控制。功率放大器的作用是將步進控制器輸出的環(huán)形脈沖加以放大，以驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。在這種控制中，由于步進控制器線路復雜，成本高，限制了它的應用。第3章 PIC單片機控制步進電機的方法 PIC16F87X單片機介紹PIC單片機是一種用來開發(fā)的控制外圍設備的集成電路。一種具有分散作用功能的CPU。PIC單片機有計算功能和記憶內(nèi)存像CPU并由軟件控制運行。然而，處理能力和存儲容量卻很有限，這主要取決于PIC的類型。但是它們的最高操作頻率大約都在20MHz左右，存儲器容量用做寫程序的大約1K4K字節(jié)。PIC單片機可以把計算部分、內(nèi)存、輸入和輸出等都做在一個芯片內(nèi)，所以它的工作效率很高，功能也能自由定義還可以靈活的適應不同的控制要求，而不必去更換不同的IC，美國Microchip公司的PIC系列單片機主要有以下特點：（1）哈佛總線結(jié)構(gòu)；（2）指令單字節(jié)化；（3）尋址方式簡單；（4）精簡指令集（RISC）技術；（5）代碼壓縮率高；（6）運行速度高；（7）功耗低；（8）驅(qū)動能力強，達到20mA的電流驅(qū)動能力；（9）自帶硬件看門狗電路；（10）外接電路簡單；（11）開發(fā)方便。這些特點使PIC系列單片機越來越受到中國用戶的青睞，在工業(yè)控制，智能儀表等不同領域得到廣泛的應用。PIC16F87X系列單片機是Microchip公司于1998年年底推出的新產(chǎn)品，可以實現(xiàn)在線調(diào)試和在線編程。本設計系統(tǒng)采用PIC16F877型號單片機作為控制芯片來實現(xiàn)步進電機的旋轉(zhuǎn)，調(diào)速以及LCD顯示等功能，下面介紹一下該類型單片機的結(jié)構(gòu)及用到的各模塊。 （一）基本功能模塊 首先對PIC16F877單片機的基本功能區(qū)域所包含的主要部件及其功能進行介紹，以便對其基本功能硬件有一個概要的認識。基本功能區(qū)域的主要功能模塊包括以下7部分，它們是：程序控制區(qū)域，數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，E2PROM數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，算數(shù)邏輯運算區(qū)域，輸入/輸出端口模塊、多功能定時器模塊，核心模塊。本設計沒有用到該類型單片機的專用功能模塊，在此將不再贅述。下面主要介紹一下用到的輸入/輸出端口模塊和多功能定時模塊。（二）輸入輸出模塊PIC16F877單片機具有豐富的接口資源，共設置有5個輸入輸出端口，分別為RA（6位）、RB（8位）、RC（8位）、RD（8位）、RE（3位），合計共有33個引腳。大多數(shù)引腳除了具有I/O功能外，還配置有其它特殊功能。通用I/O引腳可以看作是最簡單的外設，PIC單片機通過I/O端口監(jiān)視和控制其它設備，為了增強器件的靈活性和功能，一些引腳被定義為多功能復用引腳。這些功能由器件上相應外設的特點決定。一般來說，當相應的外設使能時，其對應的引腳不能作為通用I/O引腳使用。（三）定時器/計數(shù)器模塊定時器/計數(shù)器模塊的正常工作一般表現(xiàn)為計數(shù)累計功能，通常是由時鐘脈沖來驅(qū)動的。該時鐘可以是單片機本身的工作時鐘，即使用內(nèi)部時鐘，稱之為定時器；也可以使用外部引腳輸入的時鐘，即使用外部的時鐘輸入來累計，稱之為計數(shù)器。PIC16F877單片機配置3個定時器/計數(shù)器模塊，分別為TMR0，TMR1和TMR2。本控制系統(tǒng)主要利用TMR0的定時功能為步進電機合理分配脈沖寬度以達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。下面主要介紹TMR0的功能特性及與該模塊相關的寄存器。TMR0定時器/計數(shù)功能主要是基于一個8位累加定時/計數(shù)寄存器TMR0，采用時鐘信號的上升沿，下降沿觸發(fā)計數(shù)方式。TMR0在RAM數(shù)據(jù)寄存器中具有特定的地址001H和101H，可通過軟件指令進行讀/寫操作。另外，TMR0帶有一個可編程預分頻器，可達到定時/計數(shù)的擴展效果。在TMR0計數(shù)溢出時，相應的溢出中斷標志自動置位，可通過設置TMR0中斷使能狀態(tài)而產(chǎn)生溢出中斷。定時器/計數(shù)器TMR0主要設計有4個寄存器，它們分別是定時器/計數(shù)器TMR0，選項寄存器OPTION_REG，中斷控制寄存器INTCON，方向寄存器TRISA。本控制系統(tǒng)主要是靠改變TMR0的計數(shù)初值以及OPTION_REG中的分頻比來調(diào)節(jié)脈沖的寬度，以達到精確調(diào)速的目的。 步進電機的控制方法（一）并行方式用PIC單片機和R1的數(shù)據(jù)輸出信號直接控制步進電機各相驅(qū)動電路的方式，稱為并行控制。在步進電機驅(qū)動電源內(nèi)包括環(huán)形分配器，但其功能由單片機系統(tǒng)完成。由系統(tǒng)實現(xiàn)脈沖分配有2種方法，一是純軟件方法，即完全用軟件來實現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導通或截止信號，主要有寄存器移位法和緩沖區(qū)查表法；二是軟硬件相結(jié)合的方法，單片機向可編程接口芯片8255輸出控制信號數(shù)據(jù)，在由可編程接口芯片輸出步進電機的各相導通或截止的控制信號。（二）串行方式將PIC單片機與串行接口芯片8251組成串行控制系統(tǒng)，與步進電機驅(qū)動電源相連，通過將控制信號送入電源中的環(huán)形分配器，再經(jīng)功率放大器放大，就可控制步進電機的運行，如圖31所示。 圖31步進電機的串行方式控制圖 PIC單片機對步進電機的控制步進電機控制的最大特點是開環(huán)控制，不需要反饋信號。因為步進電機的運動不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差累積。由單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)如圖32圖32 單片機控制步進電機假定以PIC單片機的RB口線接步進電機的繞組，輸出控制電流脈沖，其中RB0接A，RB1接B，RB2接C。雙相三拍控制模型如表31所示表31步序RB口輸出狀態(tài)繞組控制字100000011AB03H200000110BC06H300000101CA05