【正文】 個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n 表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即ABBCCDDAAB，四相八拍運(yùn)行方式即 AABBBCCCDDDAA. 步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào) ，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用θ表示。 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)： （一）步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ) 相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì) N、 S磁場(chǎng)的激磁線(xiàn)圈對(duì)數(shù)。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。一般步進(jìn)電 機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35%，且不累積。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(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（及步進(jìn)角）。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，在改革開(kāi)放初期，國(guó)內(nèi)就已經(jīng)基本掌握，這與交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制相中北大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 2 頁(yè) 共 32 頁(yè) 比，難度要低得多。 國(guó)內(nèi)過(guò)去是用大力矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)控，有實(shí)力的公司現(xiàn)在也采用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，在驅(qū)動(dòng)設(shè)備的主要差距，是國(guó)外對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制理論與工程分析和應(yīng)用能力強(qiáng)，先進(jìn)的控制理論作為軟件，寫(xiě)在控制器內(nèi)部。 國(guó)外在小功率的場(chǎng)合，還使用步進(jìn)電 機(jī)，例如一些工業(yè)器材，工業(yè)生產(chǎn)裝備，打印機(jī)，復(fù)印件，速印機(jī)，銀行自動(dòng)柜員機(jī)。 國(guó)外在大功率的工業(yè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)上，目前基本不使用大扭矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因?yàn)閺尿?qū)動(dòng)電路的成本，效率，噪音，加速度，絕對(duì)速度，系統(tǒng)慣量與最大扭矩比來(lái)比較，比較不劃算，還是用直流電動(dòng)機(jī)，加電動(dòng)機(jī)編碼器整體技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高。 國(guó)內(nèi)外研究概況 步 進(jìn)電機(jī)是國(guó)外發(fā)明的。中北大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 1 頁(yè) 共 32 頁(yè) 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 引言 課題研究的目的和意義 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線(xiàn)位移的微電動(dòng)機(jī)，它最突出 的優(yōu)點(diǎn)是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，并且用其組成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)既簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非?？?行 ，因此在 打印機(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)備以及各種控制裝置等 眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。 隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求量與日俱增， 研制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)具有 十分 重要的意義。中國(guó)在文化大革命中已經(jīng)生產(chǎn)和應(yīng)用，例如江蘇、北京都生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，驅(qū)動(dòng)電路所有半導(dǎo)體器件都是完全國(guó)產(chǎn)化的，當(dāng)時(shí)是全分立元器件構(gòu)成的邏輯運(yùn)算電路，還有電容耦合輸入的計(jì)數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。一些少數(shù)高級(jí)的應(yīng)用，就用空心轉(zhuǎn)杯電機(jī)，交流電機(jī)。國(guó)外用許多現(xiàn)代的手段將步進(jìn)電機(jī)排擠出驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，除了前面提到的旋轉(zhuǎn)編碼器，打印機(jī)還使用光電編碼帶或感應(yīng)編碼帶配合直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)直線(xiàn)位移控制。 在衛(wèi)星、雷達(dá)等應(yīng)用場(chǎng)合，中國(guó)在文化大革命后期，就生產(chǎn)了力矩電機(jī)，就生產(chǎn)了環(huán)形力矩電機(jī)， 在高品質(zhì)的控制場(chǎng)合，有時(shí)還不能使用步進(jìn)電機(jī)。 2 步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)簡(jiǎn)介 步進(jìn)電機(jī)介紹 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。這一線(xiàn)性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。 正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載 變化的影響。 本次課程設(shè)計(jì)采用的是步距角為 度的四相八拍永磁式步進(jìn)電機(jī)。常用 m表示。θ =360 度（轉(zhuǎn)子齒數(shù) *運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50 齒電機(jī)為例。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝 數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。用百分比表示：誤差 /步距角 *100%。 失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。 最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。 運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線(xiàn)稱(chēng)為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。 要使平 均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。 中北大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 4 頁(yè) 共 32 頁(yè) 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)?AABBBCCCDDDA 時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)?DADCDCBCBABA時(shí)為反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電 機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖 開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān) SB 接通電源， SA、 SC、 SD 斷開(kāi)， B相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的 4號(hào)齒就和 C、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5號(hào)齒就和 D、 A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò) 齒。而 0、 3號(hào)齒和 A、 B 相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒， 5號(hào)齒就和 A、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖 所示。 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 度，但噪聲和振動(dòng)都很大。 永磁式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度 或 15 度。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 度而五相步進(jìn)角一般為 度。此類(lèi)電機(jī)綜合了反 應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是性能較好的一類(lèi)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類(lèi)電機(jī)。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。 靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的 23倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹 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(zhuān)用設(shè)備 —— 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 .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。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。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)驅(qū)動(dòng)器一旦接收到來(lái)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)。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)。 中北大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 7 頁(yè) 共 32 頁(yè) 單片 機(jī)原理 單片機(jī)原理概述 單片機(jī)（ singlechip microputer）是把微型計(jì)算機(jī)主要部分都集成在一塊芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。由于單片機(jī)的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)傳送距離，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)配置，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速度，同時(shí)它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求，所以單片機(jī)在工業(yè)過(guò)程及設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。人們需要通過(guò)人機(jī)對(duì)話(huà)，了解系統(tǒng)的工作情況和進(jìn)行控制。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成基本上如圖 所示。本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一款最 小應(yīng)用系統(tǒng)，最小應(yīng)用系統(tǒng)是指能維持單片機(jī)運(yùn)行