【正文】 了一個步距角的值，176。/176。（表示半步工作 176。、176。），這個步距角可以稱之為‘電機 固有步距角’， 它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。3) 步進電機的相數(shù)： 是指電機內部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。 電機相數(shù)不同，其步距角也不同，176。/176。、三相的 176。/176。、176。/176。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選 擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則‘相數(shù)’ 將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。4) 保持轉矩（HOLDING TORQUE）： 是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要 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，所以保持轉矩就成 為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，在沒有 。：1) 步距角精度： 步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分表示：誤差/步距 角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同， 四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15% 以內。 2) 失步： 電機運轉時運轉的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 3) 失調角： 轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產(chǎn)生的 誤差，采用細分驅動是不能解決的。 4) 最大空載起動頻率： 電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起 動的最大頻率。 5) 最大空載的運行頻率： 電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。 6) 運行矩頻特性： 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩特 性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。 如下 圖11所示：圖11 力矩頻率曲線7) 電機的共振點： 步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應子式步進電機的共振區(qū)一般在180250pps之間（）或在400pps左右（），電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機一旦選定，電機的靜力矩確定而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)流）平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。如下圖12所示：圖12 力矩頻率特性曲線其中，曲線3電流最大、或電壓最高。曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小電感大電流的電機。 步進電機分為三大類 ： 1)反應式步進電機（VAriABle ReluCtAnCe，簡稱 VR）反應式步進電機的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組。它的結構簡單，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。 2)永磁式步進電機（PermAnent MAgnet），簡稱 PM永磁式步進電機的轉子是用永磁材料制成的，轉子本身就是一個磁源。轉子的極數(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。 3)混合式步進電機（HyBrid，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，結構上轉子加有永磁體，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)熱低 。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 。 步進電機轉子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A39。與齒5相對齊，（A39。就是A，齒5就是齒1）下面是定轉子的展開如圖13所示：圖13 定子展開圖 電動機定子鐵心和一般電機一樣由硅鋼片疊成，鐵心內孔表面有開口槽。轉子裝有一個軸向磁化永磁體用以產(chǎn)生一個單向磁場。永磁體產(chǎn)生的磁通，在每一個氣隙圓周上都是單方向通過氣隙的，這時作用在氣隙中的磁勢是同極性的，稱為單極磁勢。而轉子包括兩段，一段經(jīng)永磁體磁化成N 極，另一段磁化為S 極，每段轉子齒以一個齒距間隔均勻分布，但兩段轉子的齒相互錯開1/2 個轉子齒距。A) N 極段截面圖 B) S 極段截面圖如圖14所示:A) N 極段截面圖 B) S 極段截面圖 圖14 三相混合式步進電機截面圖 步進電機詳細調速原理：步進電機的調速一般是改變輸入步進電機的脈沖的頻率來實現(xiàn)步進電機的調速，因為步進電機每給一個脈沖就轉動一個固定的角度，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速，從而實現(xiàn)步進電的調速。具體的延時時間可以通過軟件來實現(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可實現(xiàn)的方法有軟件和硬件兩種 ,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速方法。第2章本次設計的基本要求 研究步進電機的特性、工作原理、及其具體的調速原理。 步進電機采用三相步進電機，功率為1W。調速范圍為0到1000r/min最高轉速時，精度2%要基本上完成畢業(yè)設計，作到步進電機能精確的調速，正反轉、并能在起動時不失步，基本上沒有振蕩，能完成完整的硬件電路圖，軟件設計。第3章 方案的論證 控制方式的確定步進電機控制雖然是一個比較精確的，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用一個延時子程序，待延時結束后再次執(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{整。調整的重裝初值主要考慮兩個因素一是中斷響應所需的時間。二是重裝初值指令所占用的時間，包括在重裝初值前中斷服務程序重的其他指令因。綜合這兩個因素后，重裝計數(shù)初值的修正量取8個機器周期，即要使定時時間縮短8個機器周期。用定時中斷方式來控制電動機變速時，實際上是不斷改變定時器裝載值的大小。在控制過程中，采用離散辦法來逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計算裝載值的時間，系統(tǒng)設計時就把各離散點的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的ROM中，系統(tǒng)在運行中用查表法查出所需的裝載值，這樣可大幅度減少占用CPU的時間，提高系統(tǒng)的響應速度愿大多數(shù)步進電機運動控制系統(tǒng)都運行在開環(huán)狀態(tài)下，因為成本較低，并可提供運動控制技術固有的位置控制，無須反饋。但是，在某些應用中，需要更多的可靠性、安全性或產(chǎn)品質量的保證，因此，： 1) 步進確認，這是最簡單的位移控制，使用一個低值的光學編碼器計算步進移動的數(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（eleCtromotiveforCe，emf）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，用于步進電機編碼器、解碼器、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矩。其它的方法包括各種不同的反電動勢控制電機參數(shù)測量和軟件技術，一些制造企業(yè)都會使用這些方法。這里，步進驅動監(jiān)控和測量電機線圈，使用電壓額電流信息提高步進電機控制。正阻尼使用這一信息阻擋振動的速度，產(chǎn)生更多的可用的轉矩輸出，降低轉矩的機械振動損耗。無編碼器安裝監(jiān)測采用信息檢測同步速度的損耗。傳統(tǒng)步進電機控制通常采用反饋設備和非傳感方法，是有效的實現(xiàn)帶有安全需求、危險狀況或高精確度要求的運動應用的方法。 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。 事實上，步進系統(tǒng)可提高位移控制的的性能，且不需要反饋。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)品質量。在這些步進系統(tǒng)中，反饋設備或間接參數(shù)傳感方法的閉環(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矩輸出。近期，步進電機的閉環(huán)控制（CLC）還能幫助執(zhí)行智能分布運動架構。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)步進電機采用的編碼器成本更低。故選擇閉環(huán)控制?！? 驅動方式的確定并于步進電機的驅動一般有兩種方法，一種是通過CPU直接來驅動，這種方法一般不宜采用，因為CPU的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進電機的轉動；別一種是通過CPU來間接驅動，就是把從CPU輸出的信號進行放大，然后直接驅動或是再通過光電隔離間接來驅動步進電機，這種方法比較安全可靠。固本次設計應采用CPU間接驅動步進電機。用編碼器還的測速發(fā)電機作為轉速測量工具,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，把步進電機的轉速反饋回來，然后通過顯示器顯示出來并對步進電機進行調節(jié)；別一種是通過光同軸的電編碼器把步進電機的轉速反饋回來對步進電機進行調節(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。固一般采用后者，用光電騙碼器作為反饋元件。 驅動電路的選擇步進電機的驅動電機有多種，但最為常用的就是單電壓驅動、雙電壓驅動、斬波驅動、細分控制驅動等。單電壓驅動是步進電機控制中最為簡單的一種驅動電路，它在本質上是一個單間的反相器。它的最大特點是結構簡單，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)定性所以此種驅動方式一般只用在小功率的步進電機的驅動電路中。雙電壓驅動是電路一般采用兩種電源電壓來驅動，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動電路。雙電壓驅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。細分驅動是用脈沖電壓來供電的，對于一個電壓脈沖，轉子就可以轉動一步，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子旋轉。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，這種方法簡單，但效率低。別一種是用單片機采用數(shù)子脈寬調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速的調節(jié)范圍比較廣，固應選用驅動芯片8713來驅動，并通過軟件來實現(xiàn)步進電機的調速。 基本方案的確定因本次設計的要求，選用三相三拍步進電機，單片機選用89C51作為控制器。選取用8279來驅動顯示和鍵盤。選用8713作為步進電機的驅動芯片并通過光電耦合來驅動步進電機。然后由于步進電機同軸的光電編碼器作為反饋元件，并把反饋回的信號經(jīng)CPU處理后再由顯示器顯示出來。但由鍵盤輸入的速度數(shù)值了得通過顯示器來顯示，固本次設計要兩排顯示，一排來顯示給定的轉速一排來顯示實際的轉速。系統(tǒng)原理框圖如31所示：圖31 系統(tǒng)原理框圖第4章 硬件電路的設計 單片機的選擇 本次設計以CPU選用89C5l作為步進電機的控制芯片．89C51的結構簡單并可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達幾萬次