【正文】 ..........................................................44 參考文獻 ...........................................................................................................45 1 第一章 引言 課題提出的背景和研究意義 由于步進電機不需要位置傳感器或速度傳感器就可以實現(xiàn)定位，即使在開環(huán)狀態(tài)下它的控制效果也是令人非常滿意的，這有利于裝置或設(shè)備的小型化和低成本，因此步進電機在計算機外圍設(shè)備、數(shù)控機床和自動化生 產(chǎn)線等領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。因此要求步進電機的速度盡可能地快，但如果速度太快，則可能發(fā)生失步。當步進電機帶負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。當步進電機啟動后，進入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠大于啟動頻率。從高速運行到停止 也應(yīng)該有一個減速的過程，防止步進電機因為系統(tǒng)慣性的原因，而發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象。因為步進電機的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)速，實質(zhì)上是調(diào)節(jié)單片機輸出的脈沖頻率 【 1 】 。步進電機工作時，失步或者過沖都會直接影響其控制精度。 課題的主要研究內(nèi)容 步進電機的工作原理 通過查閱文獻對步進電機的單拍運行、雙拍運行、單雙拍運行等各種運行方式進行研究，深入了解各種運行方式的特點和對步進電機控制性能的影響。 步進電機的續(xù)流電路 根據(jù)步進電機的控制特點，分析續(xù)流電路對步進電機控制性能的影響，并設(shè)計步進電機的續(xù)流電路。 程序的調(diào)試及修改 用 Keil 軟件進行編程和調(diào)試，并且在 Proteus 環(huán)境下進行系統(tǒng)仿真。其次介紹了課題研究的目的和意義，最后介紹了課題的主要研究內(nèi)容。轉(zhuǎn)子用軟磁材料制成，也是凸極結(jié)構(gòu)，只有兩個齒，齒寬等于定子的極靴寬 【 2】 。 當 A 相繞組通電如圖 (a) 所示，而 B 相和 C 相不通電時， A 相的兩個磁極被勵磁， 一個呈 N 極另一個呈 S 極，由于磁場對轉(zhuǎn)子鐵心的電磁吸力，使轉(zhuǎn)子軸線對準 A 相磁極的軸線。同樣道理，當 A 相斷開，接通 B 相時，如圖 (b) 所示， B相磁極對轉(zhuǎn)子的電磁力將使轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過 60176。如此按 ABCA 的順序使三相繞組輪流通電，則轉(zhuǎn)子依順時針方向一步一步地轉(zhuǎn)動。上述三相三拍運行，表示三種通電狀態(tài)為一個循環(huán)，即三次通電狀態(tài)改變后，又恢復(fù)到起始狀態(tài)，一拍對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，通常用θ s 表示，圖 中轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的步距角為 60176。當 A 相通電時如圖 (a)所示，轉(zhuǎn)子齒 3 對準 A 相磁極軸線重合，當 B 相通電時如圖 (b)所示，轉(zhuǎn)子將逆時針轉(zhuǎn)過 30176。轉(zhuǎn)子齒 3 對準 C 相磁極軸線的位置，由此可見，每通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為 30176。 5 (a) A 相通電 (b) B 相通電 (c) C 相通電 圖 轉(zhuǎn)子為四極的三相步進電機 三相雙三拍通電方式 如 果 將 步 進 電 機 的 控 制 繞 組 的 通 電 方 式 改 為 ： ABBCCAAB 或ACCBBCCA。圖 (a) 為 AB 相同時通電的情況，圖 (b) 為 BC 相通電的情況，可見轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的角度為 30176。例如由 AB 相通電變?yōu)?BC 相通電時， B 相保持繼續(xù)通電狀態(tài)， C 相磁極力圖使轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動，而 B 相磁極卻起阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以步進電機工作比較平穩(wěn)，三相單三拍運行時，由于沒有這種阻尼用，所以轉(zhuǎn)子到達新的平衡位置后會產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性能遠不如雙三拍運行方式。通電方式由 AB 轉(zhuǎn)為 B 時，步進電機的狀態(tài)如圖 (c) 所示，轉(zhuǎn)子齒 4 磁極軸線和 B 相磁極軸線相重合，或 轉(zhuǎn)子齒 3 磁極軸線離開 A 相磁極軸線 30176。如此類推，可見步進電機每走一步，將轉(zhuǎn)過15176。 六拍運行方式與雙三拍相同，由一個通電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪煌姞顟B(tài)時，也總有一相繼續(xù)保持通電，同樣具有電磁阻尼作用，工作也比較平穩(wěn)。拍數(shù)不同時，其對應(yīng)的步距角大小也不同，拍數(shù)多則步距角小。此外，也可以看到同一種通電方式，對于轉(zhuǎn)子磁極數(shù)不同的步進電機，也會有不同的步距角。 /mKZR (11) 式中 m — 控制繞組相數(shù)； 8 ZR — 轉(zhuǎn)子齒數(shù)； K — 與通電方式有關(guān)的狀態(tài)系數(shù)，當通電方式為單拍，即拍數(shù)與相數(shù)相同，K=1；為 雙拍時，即拍數(shù)為相數(shù)的兩倍時， K=2。環(huán)形分配器的主要功能是把單片機發(fā)出的脈沖信號按一定的規(guī)律分配給步進電機的驅(qū)動電路，控制繞組的導(dǎo)通和截止。可以說環(huán)形脈沖分配器是一種特殊的可逆循環(huán)計數(shù)器， 但它輸出的不是一般的編碼，而是步進電機勵磁狀態(tài)所要求的特殊編碼 【 4 】 。串行控制時，控制器輸出脈沖信號和方向電平，環(huán)形脈沖分配器把它轉(zhuǎn)換成并行的驅(qū)動信號，再控制繞組的導(dǎo)通和截止。并行控制時，控制器直接輸出各相繞組的導(dǎo)通和截止信號，此時環(huán)形脈沖分配器在控制器中，由軟件來代替環(huán)形脈沖分配器的功能，不管是串行控制還是并行控制必須有環(huán)形脈沖分配器這個環(huán)節(jié)。如果全部用硬件來搭成，結(jié)構(gòu)是相當復(fù)雜的，不能滿足步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的需要，為此提出一種用 EPROM 搭建的環(huán)形分配器，以滿足不同的要求。用 EPROM 可以搭建成各種環(huán)形脈沖分配器。前面是一個可逆的循環(huán)計數(shù)器，計數(shù)脈沖的有無控制步進電機的運行與停止，計數(shù)器加減控制端控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，如果低電平時計數(shù)器加計數(shù)，步進電機正轉(zhuǎn)，如果高電平時計數(shù)器減計數(shù)，步進電機反轉(zhuǎn)。簡單的說存儲器存入的是一個環(huán)形脈沖分配器的狀態(tài)輸出表，計數(shù)器每輸入一個脈沖，計數(shù)器計一個數(shù)，這個數(shù)值就會選通存儲器的一個地址，存儲器就輸出一個數(shù)據(jù)，即步進電機的一個勵磁狀態(tài)。 圖 含有 EPROM 環(huán)形脈沖分配器 10 用 EPROM 設(shè)計環(huán)形脈沖分配器，具有如下的特點： 線路簡單。對 EPROM 存儲器的主要工作是編程，存儲狀態(tài)表，所以工作量小。 可排除非法狀態(tài)。存儲器中存儲的內(nèi)容，除了在選通的地址存儲所需的狀態(tài)表之外，其他沒用的地址都存儲各相截止的信號。 由于勵磁狀態(tài)是按運行拍數(shù)循環(huán)的，所以存儲器輸出的狀態(tài)也必須按拍 數(shù)循環(huán)出現(xiàn)，這就要求計數(shù)器是可逆計數(shù)器，同時計數(shù)長度是運行循環(huán)拍數(shù)的整數(shù)倍。 由上可見，這種方法適用于控制任意類型的步進電機。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡單，速度快，少占用 CPU的時間，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 11 圖 環(huán)形脈沖分配器電路 由 EPROM 與可逆計數(shù)器構(gòu)成的環(huán)形脈沖分配器如圖 所示，計數(shù)器選用 74LS191， 74LS191 是四位二進制進制可逆計數(shù)器，時鐘脈沖從 CP 端輸入，計數(shù)器的輸出 QA~QD 直接接到 EPROM 的低四位地址線 A0~A3，這樣可以選通 2716 的十六個地址（ 00H~0FH）。當為高電平時做減法計數(shù)，為反轉(zhuǎn)狀態(tài)。 2716 的管腳 OE 和 CE 分別為輸出允許和片選端，使它接地讓它一直處于選通狀態(tài)。單四拍與雙四拍的步距角相等，八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。 EPROM 的存儲內(nèi)容如表 所示。當步進電機下一相導(dǎo)通時，斷電相繞組中的衰減電流對步進電機起制動作用。 L 為繞組電感， R 為串聯(lián)回路的總電阻， E 為反電動勢。如果 T 斷電，繞組中磁場能量將極力保持原有電流的方向。常用的步進電機可以很容易產(chǎn)生數(shù) 值 13 比步進電機外加電壓大的峰值電感電動勢。所以驅(qū)動電路除了對步進電機繞組提供導(dǎo)通回路外，還必須提供一個繞組斷電時的續(xù)流回路，其作用是既要保證電流的泄放的速度，同時又要抑制電感電勢，保護晶體管不受感應(yīng)電動勢峰值的沖擊。在繞組導(dǎo)通期間，二極管處于反向截止狀態(tài)。 當一相繞組斷電時，存儲在繞組中的能量必須消耗在電路的電阻 R 中，該電阻包括繞組電阻，串聯(lián)電阻和二極管正向?qū)娮瑁p時間常數(shù)為 L/R。 14 圖 二極管泄放電路 圖 負載曲線 二極管 — 電阻續(xù)流 要求高速或變速運行時，斷電繞組的能量必須盡快消耗，這可以通過增加一個與二極管串聯(lián)的電阻 Rs，以減少泄放回路的時間常數(shù)，此時斷電回 路的時間常數(shù)為 L/(R+Rs)。當步進電機截止時，若通過二極管的初始電流為額定電流 In，即 In=U/R 則晶體管集 — 射極間的壓降為 Uce=U+RsIn=U（ 1+Rs/R） 這樣為使 UceUcer 則 RsR(Ucer/U－ 1) 15 圖 二極管 — 電阻續(xù)流回路 圖 負載曲線 由以上分析可知續(xù)流電路的特點如下： (1) 斷電相的磁場能量總是消耗在回路的電阻上，其中包括電動機繞組自身的電阻。 (3) 衰減時間常數(shù)大，在步進電機高速運行時產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩，影響系統(tǒng)的特性。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與步進電機的自身性能有關(guān)外，在很大程度上也取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。 驅(qū)動級的功率放大器件有中功率晶體管、大功率的晶體管、達林頓管、可 16 控硅以及各種功率模塊。對于功率較大的步進電機，由于繞組所需要的電流較大、電壓高、反電動勢也大，因此需要用大功率的的晶體管驅(qū)動。 (2) 電動機的各相繞組是繞在鐵心上的線圈，所以 都有比較大的電感。 (3) 繞組斷電時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應(yīng)該截止的相不能立即截止。繞組導(dǎo)通和截止過程中都會產(chǎn)生較大的反向電動勢，而截止時的反電動勢將對驅(qū)動級器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響。由于旋轉(zhuǎn)電動勢基本上與電動機轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電動勢越大，繞組電流越小，從而使電 動機輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。這些電動勢與外加電源共同作用于功率器件，當其疊加結(jié)果使電動機繞組兩端電壓大大超過電源電壓時，會使驅(qū)動級的工作條件更為惡化。接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程的接 17 口芯片，如 825 8155 等。本系統(tǒng)為了抗干擾，或避免一旦驅(qū)動電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號進入單片 機而燒毀器件，因而在驅(qū)動器與單片機之間增加一級光耦隔離器。 圖 驅(qū)動電路 電路工作原理：當 A 輸出為 1 時，發(fā)光二極管不發(fā)光，因而光敏三極光截止，從而使達林頓管導(dǎo)通， A 相繞組通電?？傊?，只要按一定的順序改變 A、 B、 C、 D 通電的順序，就可控制步進電機按一定的方向步進 【 5】 。因此要求步進電機的速度盡可能快一些，但如果速度太快，則可能發(fā)生失步。所謂的最高空載啟動頻率是指步進電機空載時，轉(zhuǎn)子從靜止狀態(tài)不失步地進入同步狀態(tài)（即步進電機每秒鐘轉(zhuǎn)過的角度和控制頻率相對應(yīng)的工作狀態(tài)）的最大控制頻率。根據(jù)步進電機的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉(zhuǎn)矩越小，帶負載的能力越差；當步進電機啟動后，進入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠大于啟動頻率。一般來說，升頻的時間約為 ~1s 之間。 為此，提出一種變速控制的程序，該程序的基本思想是，在啟動時，以低于響應(yīng)頻率 fs 的速度運行；然后開始慢慢加速，加速到一定頻率 fe 后就以此速率恒速運行。這樣步進電機便可以以最 快的速度走完所規(guī)定的步數(shù)，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。 圖 點 — 位控制的加減速過程 對于一個非常短的距離，如在數(shù)步范圍內(nèi)，電動機的加減速過程沒有實際意義，只需要按起動頻率運行即可。系統(tǒng)在工作過程中，都要求加減速的時間盡量短，而恒速時間盡量長。 加速時的起始速度應(yīng)該等于或略小于系統(tǒng)的極限起動頻率，而不是從零開始。 升速的規(guī)律一般有兩種，一是按直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速。但實際上步進電機升速時由于反電動勢和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減小，因此輸出的轉(zhuǎn)矩會有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速時，加速度是逐漸下降的，接近步進電機輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律 【 7 】 。用單片機對步進電機進行加減速控制，即控制 CP 脈沖的時間間隔。本系統(tǒng)采用定時器中斷來控制步進電機的加減速，實際上是不斷改變定時器的定時初值的大小。 步進電機的加減速控制技術(shù)是步進電機控制中的一項關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響步進電機運行的平穩(wěn)性、升降速的快慢、定位精度等性能，從而決定了步進電機控制系統(tǒng)的綜合性能 。 20 變速控制的方法 改變控制方式的變速控制 最簡單的變速控制可以利用改變步進電機的控制方式實現(xiàn)。 均勻地改變脈沖時間間隔的變速控制 步進電機的加減速控制，可以均勻地改變脈沖時間間隔來實現(xiàn)。具體地說，就是均勻地增加或減少延時程序中延時時間常數(shù)。 采用定時器的變速控制 在單片機控制系統(tǒng)中，可以采用單片機內(nèi)部的定時器來提供 CP 脈沖。此時只要均勻地改變定時器時間常數(shù)，即可達到均勻加減速的目的 【 9】 。為了提高單片機的實時處理能力，系統(tǒng)采用中斷的方法進行調(diào)速。此外，步進電機不需要位置傳感器或速度傳感器可以在開環(huán)狀態(tài)下定位或同步運行