【正文】 材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電磁式步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式 (VR)、永磁式 (PM)和混合式 (HB)三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。這種驅(qū)動(dòng)方式目前在實(shí)際應(yīng)用中還比較常見(jiàn)。 高低壓驅(qū)動(dòng)是指不論電動(dòng)機(jī)的工作頻率是多少，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來(lái)提高電流的上升沿斜率，而在前沿過(guò)后采用低電壓來(lái)維持繞組的電流，即采用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過(guò)改善電路的時(shí)間常數(shù)來(lái)使矩頻性能得以提高。它提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻響應(yīng)、減少了電動(dòng)機(jī)的共振，也帶來(lái)了損耗大、效率低的缺點(diǎn)。該驅(qū)動(dòng)方式早在六十年代初期國(guó)外就已大量使用，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；缺點(diǎn)是串接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗，尤其是在高頻工作時(shí)更加嚴(yán)重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)要求不高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 本方案有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對(duì)控制精度的影響； (2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的設(shè)定，用同一種電路實(shí)現(xiàn)了多相步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，大大提高了接口電路的靈活性和通用性； (3)單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性 [5]。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤作為一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，功率放大驅(qū)動(dòng)電路 脈沖控制器 環(huán)形分配器 步進(jìn)電機(jī) 圖 基于電子電路控制系統(tǒng) 3 采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。用軟件代 替環(huán)形分配器，達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。該方案多通過(guò)一些大規(guī)模集成電路來(lái)控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對(duì)較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計(jì)，因此靈活性不高。采用閉環(huán)控制，即能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。 此種方案即可為開(kāi)環(huán)控制，也可 閉環(huán)控制。這個(gè)系統(tǒng)由三部分組成：脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路、脈沖信號(hào)分配電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)與控制電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路組成一體，構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 2 步進(jìn)電機(jī)常見(jiàn)的控制方案與驅(qū)動(dòng) 技術(shù)簡(jiǎn)介 常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制方案 基于電子電路的控制 步進(jìn)電機(jī)受電脈沖信號(hào)控制，電脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)明顯的步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用在電子計(jì)算機(jī)的許多外圍設(shè)備中，例如打印機(jī)，紙帶輸送機(jī)構(gòu)，卡片閱讀機(jī)，主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和存儲(chǔ)器存取機(jī)構(gòu)等，步進(jìn)電機(jī)也在軍用儀器，通信和雷達(dá)設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機(jī)床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動(dòng)繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工具機(jī)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(yīng)用 [3]。目前世界各國(guó)都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)能夠自行研制開(kāi)發(fā)適合我國(guó)數(shù) 控機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用 [2]。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，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差，精度高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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)控制等，這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn) [1]。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時(shí)，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高 精度控制。 關(guān)鍵詞 : 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，插補(bǔ)算法，變頻調(diào)速，軟硬件協(xié)同仿真 1 第 1章 緒 論 引言 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，國(guó)外一般稱為 Steppingmotor、 Pulse motor或 Stepper servo，其應(yīng)用發(fā)展已有約 80年的歷史。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)采用了軟硬件協(xié)同仿真的方法，可以有效地減少系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的周期和成本。二維工作臺(tái)作為被控對(duì)象通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿在 X/Y 軸方向聯(lián)動(dòng)。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 目 錄 第 1 章 緒論 .............................................................. 1 引言 ............................................................... 1 步進(jìn)電機(jī)常見(jiàn)的控制方案與驅(qū)動(dòng)技術(shù)簡(jiǎn)介 ............................... 2 常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制方案 ......................................... 2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù) ............................................... 3 第 2 章 步進(jìn)電機(jī)概述 ...................................................... 4 步進(jìn)電機(jī)的分類 ..................................................... 4 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 ................................................. 4 結(jié)構(gòu)及基本原理 ................................................. 4 兩相電機(jī)的步進(jìn)順序 ............................................. 5 第 3 章 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù) ............................................... 9 3． 1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)概述 ............................................... 9 一般驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) ........................................... 9 驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn) .................................................... 10 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)分析 ............................................. 11 單電壓驅(qū)動(dòng) ..................................................... 11 雙電壓驅(qū)動(dòng) ...................................................... 12 第 4 章 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn) ................................................... 15 系統(tǒng)軟件主流程圖 .................................................. 15 系統(tǒng)初始化流程圖 .................................................. 16 第 5 章 總結(jié) ............................................................. 17 參考文獻(xiàn) ................................................................. 18 致 謝 .................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 摘 要 本文應(yīng)用單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、字符型 LCD 和鍵盤陣列，構(gòu)建了集步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器為一體的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。文中討論了一種以最少參數(shù)確定一條圓弧軌跡的插補(bǔ)方法和步進(jìn)電機(jī)變頻調(diào)速的方法。最 后給出了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)變成直線位移或角位移的控制電機(jī)，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)，該矢量場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁極磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一著該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每來(lái)一個(gè)脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，稱為一步。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。 正是由于步進(jìn)電機(jī)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)由于微型計(jì)算機(jī)方面的快速發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)的控制發(fā)生了革命性變革。因而，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制的研究也就顯得尤為重要了。由于脈沖控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動(dòng)電路。此種控制電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)一般步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分任務(wù)。系統(tǒng)組成如圖 所示。開(kāi)環(huán)時(shí)，其平穩(wěn)性好，成本低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但未能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過(guò)反饋和適當(dāng)?shù)奶幚?，自?dòng)給出脈沖鏈，使步進(jìn)電機(jī)每一步響應(yīng)控制信號(hào)的命令，從而只要控制策略正確電機(jī)不可能輕易失步 [4]。 基于單片機(jī)的控制 采用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路。環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù) 單電壓驅(qū)動(dòng)是通過(guò)改變電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。 單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)是在單電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上為電樞繞組回路串入電阻，用以改善電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。這種驅(qū)動(dòng)方式目前主要用于小功率或啟動(dòng)、運(yùn)行頻率要求不高的場(chǎng)合。但是使用這種驅(qū)動(dòng)方式的電機(jī)，其繞組的電流 波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開(kāi)始的銜接處呈凹形，致使電機(jī)的輸出力矩有所下降。 4 第 2章 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)的分類 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)的類型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型。 目 前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電機(jī) [7]。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。 混合式與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)，該矢量場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁極磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一著該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每來(lái)一個(gè)脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，稱為一步。 電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，步進(jìn)電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 通過(guò)電磁感應(yīng)定律 我們很容易知道 激勵(lì)一個(gè)線圈繞組將產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，分為北極和南極，見(jiàn)圖 所示。通過(guò)改變定子線圈的通電順序可使電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連 續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在第 1 步中，兩相定子的 A 相通電，因異性相吸，其磁場(chǎng)將轉(zhuǎn)子固定在圖示位置。在第 3 步中， B相關(guān)閉、 A 相通電，但極性與第 1 步相反，這促使轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn) 90176。重復(fù)該順序促使轉(zhuǎn)子按 90176。 圖 激勵(lì)線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng) 6 圖 兩相電機(jī)的單相通電 步進(jìn)順序 兩相電機(jī)的雙相通電步進(jìn)順序 圖 中顯示的步進(jìn)順序稱為“單相激勵(lì)”步進(jìn)。但是，一次只能轉(zhuǎn)換一相的極性，見(jiàn)圖 所示。在第 2 步中，兩相定子的 A 相關(guān)閉，而 B 和 a 相（此時(shí)的 a 相通電極性與第 1 步 A 相反）同時(shí)通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場(chǎng)將轉(zhuǎn)子固定在圖示 step2 位置。在第 4 步中，兩相定子的 b 相和A 相同時(shí)通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場(chǎng)將轉(zhuǎn)子固定在圖示 step4 位置。 兩相步進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)子與定子兩相之間的軸線處對(duì)直。 7 圖 兩相電機(jī)的 雙 相通電步進(jìn)順序 步進(jìn)電機(jī)的半步工作方式 電機(jī)也可在轉(zhuǎn)換相位之間插入一個(gè)關(guān)閉狀態(tài)而走“半步”。例如，一個(gè) 90176。見(jiàn)圖 。在每交換半步的過(guò)程中，由于其中一個(gè)繞組沒(méi)有通電，所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力要小，造成了力矩的凈損失。 兩相步進(jìn)電機(jī)的工作模式有兩相四拍和兩相八拍等兩種，其中我們?cè)趫D 和圖 中展示的都叫做兩相四拍工作模式，而下面的 圖展示的就 是兩相八拍工作模式 [8] [9]。首先介紹了傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式 :單電壓驅(qū)動(dòng) (包括單電壓串電阻驅(qū)動(dòng) )、雙電壓驅(qū)動(dòng) (包括高低壓驅(qū)動(dòng) )和恒流斬波驅(qū)動(dòng)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)，然后重點(diǎn)介紹了細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式的原理及其模型。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的性能，除與電動(dòng)機(jī)木身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主要構(gòu)成如圖 所示，一般由環(huán)形分配器、信號(hào)處理級(jí)、推動(dòng)級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)等各部分組成，用于功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器還需要有多種保護(hù)電路。每來(lái)一個(gè) CP 脈 沖，環(huán)形分配器的輸環(huán)形分配器 信號(hào)放大與處理 推動(dòng)級(jí) 驅(qū)動(dòng)級(jí) 保護(hù) 圖 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成 10 出轉(zhuǎn)換一次。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、起動(dòng)或停止都完全取決于 CP 脈沖的有無(wú)或頻率的高低