【正文】 電機(jī)控制、工業(yè)機(jī)器人、智能傳感器等。 ，使整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。 ，能針對(duì)性地解決從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得最佳的性能價(jià)格比。目前單片機(jī)己成功地運(yùn)用在智能儀表、機(jī)電設(shè)備、過程控制、數(shù)據(jù) 處理、自動(dòng)檢測(cè)和家用電器等各個(gè)方面。 10 第 3章 控制 芯片 及相關(guān)器件簡(jiǎn)介 單片機(jī)的介紹 所謂單片機(jī)，全稱是單片微型計(jì)算機(jī)，又稱微控制器。 本章小結(jié) 本章 首先 介紹了步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、繞組通電方式及其控制特性。 因此，運(yùn)用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)不僅可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高分辨率，更重要的是能使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)均勻，而且還能減少低頻振動(dòng)與共振。 ，步進(jìn)信號(hào)的脈沖頻率提高了 N 倍 (N 細(xì)分時(shí) )，故電機(jī)運(yùn)行時(shí)可盡量遠(yuǎn)離電機(jī)的自然振蕩頻率 (80200Hz)，這樣就減小了低頻共振的發(fā)生幾率。假如電機(jī)的相電流為 3A，如果使用常規(guī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一步，其繞組內(nèi)的電流將從 0 突變?yōu)?3A 或由 3A 突變到 0，相電流的巨大變化，必然會(huì)引起電機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)和噪音。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)不僅減小了步進(jìn)電機(jī)的步距角，還帶來了電機(jī)性能的全面提高 [2][3][4]： 量過剩。這樣，繞組電流由常規(guī)的矩形波改為階梯波，繞組中的電流經(jīng)過 N 個(gè)臺(tái)階上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降。應(yīng)用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)，通過選擇不同的細(xì)分就可使步進(jìn)電機(jī)具有常用的兩相 、五相和反應(yīng)式電機(jī)的步距角，從而簡(jiǎn)化了生產(chǎn)品種，節(jié)省了用戶投資。在其后的三十多年里，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了很大的發(fā)展，并在實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理及特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是 70 年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合性能的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。 ，也就是說，繞組有時(shí)需通正向電流，有時(shí)需通反向電流。這些電勢(shì)與外加電壓共同作用于功率器件。由于旋轉(zhuǎn)電勢(shì)基本上與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電勢(shì)越 大，繞組電流越小，從而使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。繞組導(dǎo)通和截止過程都會(huì)產(chǎn)生較大的反電勢(shì)，而截止時(shí)的反電勢(shì)將對(duì)驅(qū)動(dòng)器功率器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響，使整個(gè)系統(tǒng)的使用受到影響。 ，電感中磁場(chǎng)的儲(chǔ)能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié) 8 果使應(yīng)該電流截止的相不能立即截止。 是在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。 。保護(hù)電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時(shí)迅速停止驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的運(yùn)行。控制電路輸出的信號(hào)功率很低，不能提供步進(jìn)電機(jī)所需的輸出功率，必須進(jìn)行功率放大，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)部分。通常，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由邏輯控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和電源組成。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動(dòng)或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的高低。典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)本體三部分組成。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。 。 。 除了三相單六拍運(yùn)行方式外，三相混合式步進(jìn)電機(jī)還可以在不同的通電方式下運(yùn)行，如三相雙六拍方式，其繞組通電 狀態(tài)變化規(guī)律為： 7 A C C B B A A C C B B A A C? ? ? ? ? ? 還有三相六拍通電方式， 其繞組通電 狀態(tài)變化規(guī)律為： A A B B B C C C A A? ? ? ? ? ? 步距角的控制 在不同的通電方式 運(yùn)行下，步進(jìn)電機(jī)的步距角是不一樣的，其大小為齒距角除以拍數(shù)，若用 1m 表示運(yùn)行拍數(shù)， rZ 表示轉(zhuǎn)子齒數(shù)，則每改變一次通電狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度稱為步距角，用 b? 表示，則： 1360brZm? ? （ 2— 1） 從 (2— l) 式可以看出，拍數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù) 不同時(shí)，步距角不同，且步距角與拍數(shù)或轉(zhuǎn)子齒數(shù)成反比。如上所述，在 A、 B、 C 三相繞組內(nèi)分別單獨(dú)通電的運(yùn)行方式，稱 為三相單六拍運(yùn)行。每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)于繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角?？臻g角，轉(zhuǎn)子沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。而 轉(zhuǎn)子則每次轉(zhuǎn)過 13齒距。 相似的，在 B 相斷電的同時(shí)，給 C 相通電，則建立磁場(chǎng)的軸線如圖 22（ 3） 所示的 CC＇方向，轉(zhuǎn)子有沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過 13齒距?？臻g角。 ，中間包含的齒距數(shù)為120 9??=13+13，即當(dāng) A 相磁極上定轉(zhuǎn)子正對(duì)是， B 相磁極上定子齒的軸線沿ABC 方向領(lǐng)前轉(zhuǎn)子齒的軸線 13齒距， C 相磁極上定子齒的軸線，則沿 ABC 方向領(lǐng)前轉(zhuǎn)子齒的軸線 23齒距。當(dāng) A 相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的平衡位置是轉(zhuǎn)子齒的軸線與 A 相磁極上定子齒的軸線相重合的位置，簡(jiǎn)單的說就是 A 相極下定轉(zhuǎn)子 6 齒對(duì)齒，如圖 21 所示的情況。 圖 21 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理 步進(jìn)電機(jī)種類很多，可以有不同的相數(shù)，不同的磁路結(jié)構(gòu)，不同的繞組連結(jié)等，但它們的基本工作原理相同，以下以比較常見的一種三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例進(jìn)行說明。 按相數(shù)的多少分為不同結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)，常見的是 2 相、 3相和 5 相步進(jìn)電機(jī)。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成 。 8279鍵盤、顯示器接口器件是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的主要部件，該接口電路能大大節(jié)省 CPU的開銷，提高了可靠性和 CPU工作效率。 AT89C51單片機(jī)、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲(chǔ)器及可編程鍵盤 /顯示控制器 Intel— 8279等組成，單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心。 ，減小驅(qū)動(dòng)器的體積和重量，提高電源效率。 論文研究?jī)?nèi)容 本課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容是 設(shè)計(jì)完成基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器，為提高控制精度對(duì)步進(jìn)電機(jī)采用細(xì)分控制技術(shù)，使控制系統(tǒng)的控制精度在普通三相六拍 的基礎(chǔ)上得到提高。另一方面在電路設(shè)計(jì)方面，驅(qū)動(dòng)器電路普遍采用單片機(jī)加上外圍電路，或?qū)Ｓ?SPWM 芯片甚至 DSP 來產(chǎn)生 SPWM 波來控制功放電路上開關(guān)管的通斷，從而控制各相繞組細(xì)分電流的大小 .功率開關(guān)管目前采用的功率場(chǎng)效應(yīng)管（ MOSFET）與早先采用的大功率晶體管 (GTR)相比有很多優(yōu)點(diǎn) 。隨著微電子技術(shù)、大功率電力電子器件及驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步， 目前發(fā)達(dá)國(guó)家的驅(qū) 4 動(dòng)器已進(jìn)入恒相電流與細(xì)分技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)階段，使步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行振蕩很小、高速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩維持不變。有關(guān)精密加工的高新技術(shù)和產(chǎn)品還對(duì)中國(guó)實(shí)行禁運(yùn)。日本近些年來花費(fèi)巨大人力、物力，開發(fā)、研制精密機(jī)床， 1987 年日本通產(chǎn)省開始的“超尖端加工系統(tǒng)的研究開發(fā)”是大型研究規(guī)劃提出的設(shè)想。美國(guó)國(guó)防部高等研究計(jì)劃 局 (DARPA)投資 1300 萬美元，由 LINL 試驗(yàn)室與 1983年 7 月研制成功的 LODATM 大型超精密機(jī)床利用激光干涉測(cè)量系統(tǒng)，采用壓電晶體誤差補(bǔ)償技術(shù)，使定位精度可以達(dá)到 ，是世界公認(rèn)最高水平的機(jī)床。為了滿足定位精度的要求，各國(guó)都在研究影響系統(tǒng)精度的因素，以及如何實(shí)現(xiàn)固有的精度指標(biāo)。這些驅(qū)動(dòng)器多數(shù)采用單片機(jī)為控制芯片，受單片機(jī)計(jì)算速度和計(jì)算精度的限制，當(dāng)采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，細(xì)分?jǐn)?shù)最大可以達(dá)到 256。 國(guó)內(nèi)外研究開發(fā)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的科研單位、廠家很多。 國(guó)內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 目前在數(shù)控生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)型定位系統(tǒng)改造及機(jī)器人等定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，有三分之二以上采用的是步進(jìn)電機(jī)作為伺服控制系統(tǒng)的 .因此，如何改善電機(jī)的控制方法以提高定位系統(tǒng)的定位精 度，成為提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。由于繞組的電流變化幅度也大大減小，從而極大的改善步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除振蕩。這樣，繞組中的電流經(jīng)過若干個(gè)階梯上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降 。在這僅介紹細(xì)分驅(qū)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)和負(fù)載己經(jīng)確定之后，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能就完全取決于驅(qū)動(dòng)控制方法。步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和控制器構(gòu)成了不可分割的 3 大部分。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述 步進(jìn)電機(jī)的工作必須使用專用設(shè)備 —— 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)脈沖頻率等于或者接近于電機(jī)的自由振蕩頻率時(shí)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的低頻共振，甚至失步導(dǎo)致無法工作。如果阻尼較小，這種運(yùn)動(dòng)是一個(gè)衰減的振蕩過程，轉(zhuǎn)子是按自由振蕩頻率振蕩幾次才衰減到新的平衡位置而停止下來。步進(jìn)電機(jī)的低頻振蕩是另一個(gè)需要解決的問題。有多種情況會(huì)產(chǎn)生失步，比如起動(dòng)或停止頻率超過突跳頻率，電機(jī)高速運(yùn)行的脈沖頻率超過了最大運(yùn)行頻率，所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，共振等。 同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)也有自己的缺點(diǎn) :從應(yīng)用的角度來看，嚴(yán)重制約步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)問題是失步和振蕩。 。 。 因?yàn)椴骄嗾`差不長(zhǎng)期累積，可以不需要速度傳感器以及位置傳感器，就能以輸入的脈沖數(shù)量和頻率構(gòu)成具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)。因?yàn)樗俣群洼斎朊}沖的頻率成正比，運(yùn)轉(zhuǎn)速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)具有自身的特點(diǎn)，歸納起來有 ： 。同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。輸入脈沖的頻率越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越快。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到 2 一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度 (即步距角 )。因此，研究開發(fā)出高性能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器不僅有著重大的現(xiàn)實(shí)意義，而且具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。另外， 步進(jìn)電機(jī)不能簡(jiǎn)單地直接接到普通的交直流電源運(yùn)轉(zhuǎn)，它需要專門的驅(qū)動(dòng)控制器，步進(jìn)電機(jī)和與之配套的驅(qū)動(dòng)控制器密不可分，在 電 機(jī)本體選定的情況下，驅(qū)動(dòng)控制器的好壞很大程度上影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。但是步進(jìn)電機(jī)在應(yīng)用中存在一些制約性的因素，步進(jìn)電機(jī)及其系統(tǒng)表現(xiàn)出諸如低速平穩(wěn)性差、高速快速響應(yīng)能力差、效率低和能耗等。而把 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路 及保護(hù)電路都集成在一起的智能 IGBT 模塊，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定及運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，目前己開始應(yīng)用于中、小功率的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)電路中，目前較普遍采用的功率開關(guān)管是功率場(chǎng)效應(yīng)管 (MOSFET)，與早先采用的大功率晶體管 (GTR)相比有很多優(yōu)點(diǎn)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得電機(jī)的 步距角 不受 相數(shù) 的限制，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來方便。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，從 20 世紀(jì) 70 年代開始研究，逐步發(fā)展到 90 年代完全成熟。 近代步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的主流是“電流型”，常規(guī)的控制技術(shù)僅對(duì)繞組的電流進(jìn)行通斷控制，在轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定的條件下，增加相數(shù)才能提高電機(jī)的分辨率。文中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)及硬件電路和驅(qū)動(dòng)軟件的實(shí)現(xiàn)都做了詳細(xì)的介紹。本文采用控制電路主要由 AT89C51 單片機(jī)、晶振電 路、地址鎖存器、譯碼器、 EEPROM 存儲(chǔ)器及可編程鍵盤 /顯示控制器 Intel8279 等組成，單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心。 本文先介紹了三相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，然后在對(duì)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)和單片機(jī)研究的基礎(chǔ)上，分析了細(xì)分驅(qū)動(dòng)對(duì)于改善步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行性能的作用，該方案中電流細(xì)分技術(shù)基本上克服了傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)低速振動(dòng)大和噪音大的缺點(diǎn)，減小發(fā)生共振的幾率。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是一種能有效改善步進(jìn) 電機(jī)低頻特性和提高步進(jìn)精度的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。一般步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行噪聲大，控制精度低，無法滿足很多場(chǎng)合下較高運(yùn)行品質(zhì)的要求，因此實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制可以較大地改善步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)性能。 I 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制器的設(shè)計(jì) 摘要 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的機(jī)電元件，具有易于開環(huán)控制、無積累誤差等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行品質(zhì)既與電機(jī)的本體性能有關(guān)，也與驅(qū)動(dòng)器和控制器的性能有關(guān)。本 課題 在總結(jié)和歸納多種步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)完成了基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng) 。廣泛應(yīng)用于對(duì)工況要求較高的場(chǎng)合，尤其在一些要求高精度、低噪音、低振動(dòng)的系統(tǒng)中，細(xì)分驅(qū)動(dòng)成為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的首選驅(qū)動(dòng)技術(shù)。該方案能避免其它相繞組的感應(yīng)電壓和繞組電流的漂移帶來的誤差，提高了細(xì)分精度。采用 IR2130 功率驅(qū)動(dòng)芯片作為步進(jìn)電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)器件。 關(guān)鍵詞 單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；細(xì)分控制 II Design of Stepper Motor Subdivision Controller Based on Microcontroller Abstract Stepper motor is a kind of electromechanical ponent that is driven in step angle or line displacement by electric pulse signal. Because of having the advantage of easy openloop control and no accumulating error， stepper motor is being applied widely in many fields . As an integrated system including with both stepping motor and driver， its quality of operation is depended on the performance of motor， driver and controller .Generally， the noise of the stepping motor is great， and control precision is low， which ca