【正文】 9 步進電機的功能 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，同時步進電機只有周期性 的誤差而無累積誤差，精度高，步進電動機可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等。 7. 速度可在相當寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負載。同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 4. 步進電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負載的能力較差。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。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 8090 度完全正常。 步進電機的特點及功能 步進電機的特點 1. 一般步進電機的精度為步進角的 35%，角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點 ， 使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。我們可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時我們也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的 [6]。 8 2 步進機的基礎知識 步進機的概念 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為 度 或 15 度 ，振動和噪音小 ；反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn) 7 矩輸出，步進角一般為 度，但噪聲和振動都很大 ； 混合式步進電機混合了永磁式和反應式的優(yōu)點 ，步距角小、轉(zhuǎn)矩大且振動、噪音小， 它 主要 又分為兩相和五相：兩相步 距 角一般為 度 ， 而五相步進角一般為 度 。 雖然步進電機有這些缺點，但是并不影響其在經(jīng)濟型的數(shù)控裝置上的使用 。 步進電機的缺點 正是由于這些優(yōu)點，使得由步進電機及其驅(qū)動控制器構(gòu)成的開環(huán)數(shù)控定位系統(tǒng)，既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定可靠地工作。所 6 以通過控制脈沖個數(shù)來控制步進電機轉(zhuǎn)動的角位移，達到精確定位的目的；同時也可以通過控制脈沖的頻率來控制步進電機轉(zhuǎn)動速度 和加速度，達到調(diào)速的目的 [5]。通常所說的步進電機一般是指機電一體化設備包括步進電機及其驅(qū)動器，當步進電機驅(qū)動器接受到一個脈沖之后就驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一個固定的角度即步距角。 隨著現(xiàn)代科學技術的進步， 尤其 是 集成電路、電力電子器件、自動化控制理論等方面的進展 ，電機在其實際應用中 已由過去簡單地控制轉(zhuǎn)動停止、以 提供動力為目的應用上升到對速度、 加速度、 位移 和轉(zhuǎn)矩等進行精確控制階段， 以便 使被驅(qū)動的機械運動 準確 符合預想的要求。而就這兩種電動機而言，五相電動機的驅(qū)動電路比三相電動機精密且復雜，因此三相電動機系統(tǒng)的價格比要比五相電動機更低一些 [4]。 發(fā)展趨勢之四， 向五相和三相電動機方向發(fā)展。 發(fā)展趨勢之三，對電動機進行綜合設計。由于電動機采用方型結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子有可能設計得比圓形大，因而其力矩體積比 (性價比 )將大為提高。 就編碼器本身而言， 24 位高精度、高速度（處理速度 — 刷新速率 DSP）、矩陣式 — 原理創(chuàng)新、超小型（工藝創(chuàng)新）、智能型（軟件創(chuàng)新 — 智能識別、上位機等、多圈 — 耦合擴展發(fā)展方向）。隨著電動機本身應用領域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小，在 5 42 機座號的電動機應用了多年后，現(xiàn)在其機座號向 3 3 25方向向下延伸。 另外的結(jié)論是 HB 型電動機更適合于低速大轉(zhuǎn)矩用途； RM 型適用于平穩(wěn)運行以及轉(zhuǎn)速大于 1000r/min 的用途；而 PM 型成本低，在低轉(zhuǎn)速時的振動 和高轉(zhuǎn)速時的大轉(zhuǎn)矩方面，三相 PM 型電動機比兩相電動機的性能要好。 步進電動機最大的生產(chǎn)國是日本，如日本伺服公司、東方公司、 SANYO DENKI 和 MINEBEA 及 NPM 公司等，特別是日本東方公司，無論是電動機性能和外觀質(zhì)量，還是生產(chǎn)手段，都堪稱是世界上最好的。（全步／半步）；還有五相 10 極 50齒和一些轉(zhuǎn)子 100 齒的二相和五相步進電動機，五相電動機主要用于運行性能較高的場合。最典型的產(chǎn)品是二相 8 極 50 齒的電動機，步距角 176?，F(xiàn)在，步進電動機的發(fā)展 — （結(jié)構(gòu)的發(fā)展）已歸結(jié)為單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式、混合式和爪極結(jié)構(gòu)的永磁式三類。另一方面，微型計算機和數(shù)字控制技術的發(fā)展，又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進電動機推廣應用到 其他領域，如電加工機床、小功率機械加工機床、測量儀器、光學和醫(yī)療儀器以及包裝機械等。 步進電動機的發(fā)展與計算機工業(yè)密切相關。可是在人類社會進入自動化時代的今天，傳統(tǒng)電動機的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動化等各種運動控制系統(tǒng)的要求。 步進電機的發(fā)展趨勢 步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。這就給戶在 產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。 目前 ， 生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設備都沒有。 70 年代中期至 80 年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電動機不斷被開發(fā)。中等耐壓的大功 率半導體器件也完全國產(chǎn)化。 步進機的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢 步進電機的現(xiàn)狀 我國步進電機的研究及制造起始于本世界 50 年代后期，從 50 年代后期到 60 年代后期，主要是高等院校和科研機構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。一般步進電機控制器都用硬件實現(xiàn)，雖然電路可以做到了高集成度，可價格較貴，功能相對較單一，并且設計要求有所改變，就得改變整個硬件電路，比較麻煩。 但在有些應用場合，并不需要高精度的控制，而需要在滿足一般工作要求的情況下，盡量使控制系統(tǒng)做到： 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低； 功能較為齊全； 適應性強； 電機各種運行狀態(tài)指示一目了然，操作方便；系統(tǒng)抗干擾能力強 ，可靠性高等要求 [2]。因此，用微型單片機控制步進電機己經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代發(fā)展要求。原來的步進電機控制 3 系統(tǒng)采用分立元件的控制回路，或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設計電路，不利于系統(tǒng)的改進升級。 為了得到良好的控制性能，對步進電機的控制的研究就一直沒有停止過，許多重大的技術得以實現(xiàn)。優(yōu)點明顯的步進電機被廣泛應用在電子計算機的許多外圍設備中，例如打印機，紙帶輸送機構(gòu)，卡片閱讀機，主動輪驅(qū)動機構(gòu)和存儲器存取機構(gòu)等，步進電機也在軍用儀器，通信和雷達設備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機床，電子鐘，醫(yī)療設備及自動繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應用。目前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術，我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國已經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國數(shù)控機床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。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 ，同時步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進電動機可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，這是步進電動機最突出的優(yōu)點 [1]。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使電機旋轉(zhuǎn)。因此，控制電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。步進電機在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。 2 1 步進電機概述 步進機的背景與研究意義 步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機，國外一般稱為 Steppingmotor、 Pulse motor 或 Stepper servo，其應用發(fā)展已有約 80 年的歷史。傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進入電氣化過程中起著關鍵的作用。步進電機還具有快速啟動、精確步進和定位等特點，因而在數(shù)控機床，繪圖儀，打印機以及光學儀器中得到廣泛的應用。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進電動機則有定位和運轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。 步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。以后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解性能、高響應性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。negative 0999 arbitrary Angle control and deceleration 18 speed adjustment and control. And through the stepper motor screw gearing, it drives the linear motion of the XY worktable and implements schedules displacement control from start point A to point B , in order to realize the XY coordinates based motion control of step motor. 【 Key words】 stepper motor MCU subdivided driving control 1 緒論 步進電機最早是在 1920 年由英國人所開發(fā)。并通過步進電機絲杠連動，帶動 XY 工作臺的直線運動，實現(xiàn)從起點 A點到預定點 B點的位移控制，以實現(xiàn)基于 XY 軸坐標的步進電機的運動控制。 本論文應用單片機 AT89C5鍵盤編碼器 MM74C922 芯片、 74HC00 四 2 輸入與非門、雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片 L298N 等，構(gòu)建了 步進電機控制器和驅(qū)動器為一體的步進電機控制系統(tǒng)。 1 步進電機概述 ............................................................................................................ 2 步進機的背景與研究意義 .............................................................................. 2 步進機的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢 ........................................................................ 3 步進電機的現(xiàn)狀 .................................................................................... 3 步進電機的發(fā)展趨 勢 ............................................................................ 4 步進電機的優(yōu)點 .............................................................................................. 5 步進電機的缺點 .............................................................................................. 6 步進電機應用中的注意點 .............................................................................. 7 2 步進機的基礎知識 .................................................................................................... 8 步進機的概念 .................................................................................................. 8 步進電機的特點及功能 .................................................................................. 8 步進電機的特點 ....................