【正文】 機(jī)驅(qū)動(dòng)器的硬件設(shè)計(jì)部分，對(duì)硬件電路的總體設(shè)計(jì)方案及每個(gè)主要組成部分的功能及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)的論述和分析。而固定開關(guān)頻率型在電磁噪聲和輸出電流諧波方面具有優(yōu)勢(shì)。 方案的確定 對(duì)比上面的各種方案方案，各有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。但是，恒流斬波技術(shù)不能解決步進(jìn)電機(jī)本身所固有的低頻振動(dòng)問題，無法克服步進(jìn)電機(jī)因受步距角限制而不能實(shí)現(xiàn)多種步距角控制的缺陷。而輸出轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)重要性能指標(biāo)，當(dāng)我們使電機(jī)的繞組電流恒定在一個(gè)較高的數(shù)值時(shí)，就可提升電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。 斬波驅(qū)動(dòng)中，雖然電路較復(fù)雜，但是由于驅(qū)動(dòng)電壓較高，電機(jī)繞組回路又沒有串入電阻，整個(gè)系統(tǒng)功耗下降很多，所以電流上升快。同時(shí)電機(jī)的高頻響應(yīng)得以提高，共振現(xiàn)象減弱。但是也存在著 低頻振蕩加劇，波形呈凹形，驅(qū)動(dòng)電源和大功率管數(shù)量加倍，成本上升的缺點(diǎn)。 10 圖 5 高低壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖 圖 6 斬波驅(qū)動(dòng)電路原理圖 1— 整形電路 2— 脈沖分配器 3— 控制門 4— 高壓前置放大器 5— 低壓前置放大器 高低壓驅(qū)動(dòng)可保證在很寬的頻段內(nèi)繞組都有較大的平均電流，在截止時(shí)又能迅速釋放，能夠產(chǎn)生較大的且較穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。 高低壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是不論電動(dòng)機(jī)的工作頻率如何，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。 圖 4 單電壓驅(qū)動(dòng) 高低壓驅(qū)動(dòng)方式 為了改善驅(qū)動(dòng)器的高頻特性，就必須提高導(dǎo)通電流的前沿，即提高電源電壓，但是電壓提高的同時(shí)也會(huì)使相繞組電流增大，必須加限制電阻，加入電阻后又會(huì)引起發(fā)熱，加劇功率的損耗，降低效率。缺點(diǎn)是串入電阻將加大功耗，降低功放電路的功率， 9 必須具備相應(yīng)的散熱條件才能保證電路穩(wěn)定可靠的工作。為改善高速運(yùn)行的電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性，通常在連接電機(jī)繞組的線路中串聯(lián)一個(gè)無感電阻來減少電氣時(shí)間常數(shù)，同時(shí)成比例的增加電源電壓以保持額定電流不變 (圖 4)。這兩種接法共同的特點(diǎn)在于，電機(jī)三相電流不是獨(dú)立可調(diào)的，根據(jù)基爾霍夫定理，電機(jī)三相電流必須滿足一個(gè)約束方程： 0??? cba III 圖 3 三相電機(jī)多相橋驅(qū)動(dòng)的三角形和星形接法 單電壓驅(qū)動(dòng)方式 單電壓驅(qū)動(dòng)方式是指步進(jìn)電機(jī)繞組上加上恒定的電壓 V，這種驅(qū)動(dòng)方式的電路相當(dāng)簡(jiǎn)單，流經(jīng)繞組中的電流以時(shí)間常數(shù) L/R(L 為繞組的電感， R 為繞組的電阻 )上升，直到達(dá)到額定電流 I=V/R。電機(jī)繞組為三角形聯(lián)接時(shí)，功放橋的電壓直接加到每一相繞組上，相繞組的電壓較高，高頻運(yùn)行及動(dòng)態(tài)響應(yīng)比星形接法時(shí)好，與 H 橋驅(qū)動(dòng)時(shí)相接近。星形接法時(shí)，二相繞組串聯(lián)起來一起跨接到功放電源上，每相繞組的端電壓大約只有功放級(jí)電壓的一半，因此系統(tǒng)運(yùn)行的高頻特性和動(dòng)態(tài)性能，比用 H 橋式驅(qū)動(dòng)電路時(shí)低 。 圖 2 H 橋驅(qū)動(dòng)電路 多相橋式電路，也叫多相半橋電路，這種電路比 H 橋減少了一半的晶體管，降 8 低了驅(qū)動(dòng)器的成本、體積和發(fā)熱。電 機(jī)每一相繞組需四只開關(guān)管驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器成本比較高。當(dāng)開關(guān)管 T1， T4 導(dǎo)通、 T2， T3 截止時(shí)，電流經(jīng) T電機(jī)繞組和 T4 到地； Tl， T4 截止、 T2， T3 導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng) T電機(jī)繞組和 T2 到地；可見電流方向相反。 7 圖 1 單極性驅(qū)動(dòng)電路 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件價(jià)格的降低，雙極性驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)變得容易，成本也增加不多，因此現(xiàn)在絕大多數(shù)混合式步進(jìn)電機(jī)使用雙極性驅(qū)動(dòng)。最簡(jiǎn)單的兩相電機(jī)單極性驅(qū)動(dòng)電路，只要用四個(gè)功率開關(guān)管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，電機(jī)的繞組在同一時(shí)間只能有一半通電，因此繞組的電感小，有利于電機(jī)的高速性能；缺點(diǎn)是每次只使用了繞組的一半，中低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩不如整個(gè)繞組勵(lì)磁的電機(jī)。在步進(jìn)電機(jī)發(fā)展的初期，電子技術(shù)發(fā)展水平有限，為了簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，采用單極性電路。根據(jù)主電路結(jié)構(gòu)的不同可分為單極性驅(qū)動(dòng)、雙極性驅(qū)動(dòng)、全 H 橋和多相橋驅(qū)動(dòng)；根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同又可分為單電壓驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)、電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。 混合式步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路分類和性能比較 與反應(yīng)式和永磁式相比，混合式步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行特性具有很多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已是步進(jìn)電機(jī)系列的主流。 (6) 混合式步進(jìn)電機(jī)的繞組必須用雙極性電源供電，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， 6 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。 (3) 繞組斷電時(shí)，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)果使應(yīng)該電流截止的相不能立即截止。 (2) 步進(jìn)電機(jī)各相繞組都是在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感 。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1) 各相繞組都是開關(guān)工作。功率驅(qū)動(dòng)電路向步進(jìn)電機(jī)控制繞組輸入電流，使其勵(lì)磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一旦接收到來自控制器的方向信號(hào)和步進(jìn)脈沖，控制電路就按預(yù)先設(shè)定的電機(jī)通電方式產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組導(dǎo)通或截止信號(hào)。控制器的方向信號(hào)決定步進(jìn)電機(jī)的順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出步進(jìn)脈沖和方向信號(hào)，每發(fā)一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，即步進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，除與電機(jī)本身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。雙機(jī)通訊電路，該電路能大大節(jié)省主機(jī) CPU 的開銷，提高了可靠性和電路的工作效率。 (4) 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 4 存儲(chǔ)器及液晶顯示芯片 ST7920，單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心。 (2) 用開關(guān)電源為驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路供電，減小驅(qū)動(dòng)器的體積和重量，提高電源效率。近幾年來，由于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)在驅(qū)動(dòng)器中獲得了廣泛應(yīng)用。雖然細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但在不改變電機(jī)內(nèi)部參數(shù)的情況下，使步距角減小到原來的幾分之一至幾十分之一，使步距角不再受電機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制。 (5) 細(xì)分驅(qū)動(dòng)：它是將電機(jī)繞組中的電流細(xì)分，由常規(guī)的矩形波供電改為階梯波供電。 (4) 調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)：特點(diǎn)是施加在電機(jī)繞組的電壓隨工作頻率的變化作相應(yīng)的改變，步進(jìn)電機(jī)在低頻時(shí)工作在低壓狀態(tài)，減少能量的注入，從而抑制振蕩；在高頻時(shí)工作在高壓狀態(tài)，使電機(jī)有足夠的驅(qū)動(dòng)力矩。但由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)反電勢(shì)、相間互感等因素的影響易使電流波形的頂部呈凹形，致使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有所下降且需要雙電源供電。 (2) 高低壓驅(qū)動(dòng)：電機(jī)每相繞組導(dǎo)通時(shí)，首先施加高電壓，使電流快速上升，當(dāng)電流上升到額定值時(shí)，將高電壓切斷，回路電流以低電壓電源維持。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的發(fā)展先后有單電壓驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等 . (1) 單電壓驅(qū)動(dòng)：主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，通常在繞組回路中串接電阻，以改善電 路的時(shí)間常數(shù)來提高電機(jī)的高頻特性。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能除與電機(jī)自身的性能有關(guān)外，在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器性能的優(yōu)劣。驅(qū)動(dòng)器針對(duì)每一個(gè)步進(jìn)脈沖，按一定的規(guī)律向電機(jī)各相繞組通電 (勵(lì)磁 )，以產(chǎn)生必要的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。一般不允許在共振頻率下運(yùn)行，從驅(qū)動(dòng)器的方面來看，使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以有效的克服低頻共振的危害。每來一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子都從新的轉(zhuǎn)矩曲線的躍變中獲得一次能量的補(bǔ)充，這種能量越大，振蕩越厲害。步進(jìn)電機(jī)在極低頻率下做連續(xù)步進(jìn)運(yùn)行，即每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。通過改善驅(qū)動(dòng)器的性能，可以減小運(yùn)行中失步的可能。由于步進(jìn)電機(jī)在大多數(shù)情況下采用開環(huán)運(yùn)行的方式，它的主要運(yùn)行性能完全依賴于驅(qū)動(dòng)器、負(fù)載和電機(jī)本身。 ○ 3 輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 2 同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)也有自己的一些缺點(diǎn)： ○ 1 步進(jìn)電機(jī)帶慣性負(fù)載的能力較差。 （ 4）具定位保持力矩： 永磁式、混合式步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下 (無脈沖信號(hào)輸入時(shí) )，仍具有勵(lì)磁保持力矩，故即使不靠機(jī)械式的剎車，也能做到停止位置的保持。 （ 2）可以直接進(jìn)行開環(huán)控制： 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)。 步進(jìn)電機(jī)的特征 步進(jìn)電機(jī)具有自身的特點(diǎn)，歸納起來有： （ 1）位置及速度控制簡(jiǎn)便： 步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖信號(hào)時(shí)，可以依輸入的脈沖數(shù)量做固定角度的旋轉(zhuǎn)而得到靈活的角度控制 (位置控制 )。步進(jìn)電機(jī)種類，根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)不同， 可分為常用三大類 :反應(yīng)式 (VR，也稱磁阻式 )、永磁式 (PM)，混合式 (HB)。脈沖輸入越多，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度就越多；輸入脈沖的頻率越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越快。s whole architecture, the design of hardware and software are introduced in detail. KEY WORDS: Microcontroller， SPWM， Hybrid stepper motor， Microstepping driver III 目 錄 1 緒論 步進(jìn)電機(jī)概述 ...................................................................................................................... 1 步進(jìn)電機(jī)的特征 ................................................................................................................. 1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述 .................................................................................................... 2 課題研究的主要內(nèi)容 ........................................................................................................ 3 2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方案論證 ..........................