【正文】 ....................................................................................... 25 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu) ......................................................................................... 25 系統(tǒng)開發(fā)軟硬件環(huán)境 ..................................................................................... 25 步進(jìn)電機(jī)控制主程序設(shè)計(jì) ............................................................................. 26 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) ......................................................................... 27 步進(jìn)電機(jī)顯示和鍵處理程序設(shè)計(jì) ................................................................. 28 本章小結(jié) ......................................................................................................... 30 結(jié)論 ............................................................................................................................ 31 致謝 ............................................................................................................................ 32 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................... 33 附錄 A ........................................................................................................................ 34 附錄 B ........................................................................................................................ 42 附錄 C ........................................................................................................................ 48 1 第 1章 緒論 課題背景 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)，控制技術(shù)的快速發(fā)展和 EDA 技術(shù)的日益成熟，特別是高性能可編程邏輯器件的出現(xiàn)，使得步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)成為可能，并伴隨著電動(dòng)機(jī)本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)電機(jī)分類間的界面越來(lái)越模糊。運(yùn)用電流波形控制技術(shù)可方便地實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)。我國(guó)對(duì)細(xì)分驅(qū)動(dòng) 技術(shù)的研究，起步時(shí)間與國(guó)外相差無(wú)幾。 目前在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)上，采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)以及最佳升降頻控制，大大提高步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行快速性和運(yùn)轉(zhuǎn)精度，使步進(jìn)電機(jī)在中、小功率應(yīng)用領(lǐng)域向高速且精密化的方向發(fā)展。性能更加優(yōu)越的絕緣柵極晶體管 (IGBT)也己應(yīng)用于高速型及較大功率的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中。 步進(jìn)電機(jī)作為數(shù)字式執(zhí)行元件，具有成本低、易控制、定位方便和步距誤差不長(zhǎng)期累計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在數(shù)控裝置、繪圖機(jī)、機(jī)械手、印刷和包裝設(shè)備等工業(yè)、軍事和醫(yī)療自動(dòng)化領(lǐng)域中。步進(jìn)電機(jī)多應(yīng)用于開環(huán)控制的場(chǎng)合，對(duì)轉(zhuǎn)子位置和角速度不做檢測(cè)，較容易在行過(guò)程中產(chǎn)生失步和振蕩。通過(guò)研制高性能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器可以大大改善步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能，這對(duì)提高我國(guó)在這方面的科學(xué)技術(shù)水平起到了一定的促進(jìn)作用，拓寬了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī) 及其功率驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成一個(gè)開環(huán)的定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。脈沖輸入越多，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度就越多 。因此可以通過(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 。步進(jìn)電機(jī)種類可分為常用三大類 :反應(yīng)式 (VR，也稱磁阻式 )、永磁式 (PM)、混合式 (HB)。 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 )。 。 。 永磁式、混合式步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下 (無(wú)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。 步進(jìn)電機(jī)在中低速時(shí)具有較大的轉(zhuǎn)矩 ，能夠較同級(jí)伺服電機(jī)提供更大的扭力輸出。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。通過(guò)改善驅(qū)動(dòng)器的性能，可以減小運(yùn)行中失步的可能。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(guò)一個(gè)步距角。每來(lái)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。一般不允許在共振頻率下運(yùn)行，從驅(qū)動(dòng)器的方面來(lái)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。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)。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。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 3 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。 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。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(lái)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。近幾年來(lái)，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。目前，電機(jī)控制方法已經(jīng)由傳統(tǒng)的 PID 控制方法發(fā)展到性能更優(yōu)良、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的數(shù)字式 PID 控制方法，并取得了較好的效果，在一定程度上提高了系統(tǒng)的定位精度。如：中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所開發(fā)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器系列，其中針對(duì)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分?jǐn)?shù)為 10；北京興大豪科技開發(fā)有限公司開發(fā)的用于電腦繡花機(jī)的步進(jìn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器；國(guó)外產(chǎn)品主要有美國(guó) SHAPHON 公司生產(chǎn)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器系列，其中 SH3F075M 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為 40 細(xì)分等 等。 工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家都在大力發(fā)展精密定位技術(shù)，利用它進(jìn)行產(chǎn)品革新、擴(kuò)大生產(chǎn)和提高良品率和國(guó)際經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。在精度定位研究方面水平最高的是美國(guó)，其 LINL 國(guó)家試驗(yàn)室、 Moore、 Vnion Carbide、 Pneumo Precision 等公司均在精度定位系統(tǒng)研究與開發(fā)方面做出了卓越成效的工作。但是該機(jī)床不但重達(dá) 1360kg，體積龐大，造價(jià)更是昂貴。 但是，由于精密和超精密加工的尖端部分代表著最新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)與航空、軍事、核能等方面聯(lián)系密切，各國(guó)對(duì)這部 分技術(shù)是嚴(yán)格保密的。而發(fā)展精密加工技術(shù)又是我國(guó)的當(dāng)務(wù)之急，因此我們必須依靠自己力量，加速發(fā)展自己的精密定位技術(shù) 。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)上，一方面由于采用了斬波恒流控制、 SPWM(正弦脈寬調(diào)制 )和細(xì)分技術(shù)以及最佳升降頻控制，大大提高了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行快速性和運(yùn)動(dòng)精度，使步進(jìn)電機(jī)在中、小功率范圍內(nèi)向高速精密 化領(lǐng)域滲透 。性能更加優(yōu)越的絕緣柵極晶體管 (IGBT)也己應(yīng)用于高速型及較大功率的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中。 主要內(nèi)容包括 :單片機(jī)控制技術(shù) ，由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分、轉(zhuǎn)向等，與 系統(tǒng)的硬件以及軟件設(shè)計(jì) : ，以克服傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)下步進(jìn)電機(jī)低速振動(dòng)、存在共振現(xiàn)象、噪音大、高速轉(zhuǎn)矩小等缺點(diǎn)。 MOS器件 (或IGBT)柵極驅(qū)動(dòng)集成電路 IR2130，它能輸出六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且由于內(nèi)部設(shè)有自舉式懸浮電路，因此只用一路電源，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)極為簡(jiǎn)化。采用了 Intel公司研制的鍵盤、顯示器接口電路芯片 8279，該芯片能自動(dòng)完成對(duì)顯示的刷新，同時(shí)還可以對(duì)鍵盤自動(dòng)掃描，識(shí)別閉合鍵的鍵號(hào)，使用非常方便。 5 第 2章 步進(jìn)電機(jī)及其 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)及其工作原理 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)的典型結(jié) 構(gòu)， 分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。 定子繞組是繞置在定子鐵心 6 個(gè)均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對(duì)的兩個(gè)齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。 圖 21 表示出一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的橫斷面，它的定子上有三對(duì)磁極，每一對(duì)磁極上繞著一相繞組，三相繞組連接成星形；轉(zhuǎn)子鐵芯及定子極靴上均有小齒，定轉(zhuǎn)子 齒距通常相等；轉(zhuǎn)子鐵芯上沒(méi)有繞組，轉(zhuǎn)子齒數(shù)有一定的限制，圖中所示的轉(zhuǎn)子齒數(shù) rZ =40，每一個(gè)齒距對(duì)應(yīng)的空間角度為 360 40? =9? 。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)一相繞組通電，例如 A 相繞組通電， B、 C 二相繞組不通電時(shí)，電機(jī)內(nèi)建立 以 AA＇為軸線的磁場(chǎng)，如圖 22（ 1）所示，由于定轉(zhuǎn)子上有齒和槽，所以當(dāng)定轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置不同時(shí)，磁路的磁導(dǎo)也不同，在繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將有一定的穩(wěn)定平衡位置，轉(zhuǎn)子的位置是力求使通電相磁路的磁導(dǎo)為最大。 （ 1） A相通電 （ 2） B 相通電 （ 3） C 相通電 圖 22 一相通電時(shí)的磁場(chǎng)情況 B 相繞組的軸線與 A 相繞組軸線的夾角為 120176。 在 A 相斷電的同時(shí)，給 B 相通電，則建立以 BB＇為軸線的磁場(chǎng)，如圖 22（ 2），即磁場(chǎng)沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過(guò) 120176。此時(shí)，轉(zhuǎn)子的 軸線將力求與 B相定子磁極上齒的軸線對(duì)齊，以達(dá)到穩(wěn)定平衡位置，顯然比起 A 相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的位置沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過(guò) 13齒距。 可見，在連續(xù)不斷的按 A— B— C— A— 的順序分別給各相繞組通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)的軸線沿 ABC 方向不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，且每改變通電狀態(tài)一次時(shí)，轉(zhuǎn)過(guò)的角度為二相磁極軸線間的夾角 120176。每循環(huán)一次，磁場(chǎng)沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過(guò) 360176。 繞組通電方式 在步進(jìn)電機(jī)中，定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。對(duì)步進(jìn)電機(jī)加一系列連續(xù)不斷的脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子的平均轉(zhuǎn)速正比于脈沖的頻率，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度等于步距角與脈沖數(shù)量的乘積?！叭唷笔侵溉嗖竭M(jìn)電機(jī)，“單”是指同時(shí)只有一相繞組通電，“六拍”是表示六種通電狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)，即六次通電狀態(tài)后電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)恢復(fù)到初始的狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，定轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)關(guān)系不變。當(dāng)三相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子為 50 齒，若采用 3 拍通電工作方式時(shí)， b? =176。采用 6 拍通電工作方式時(shí)， b? =176。采用 12 拍通電工作方式時(shí)， b? =176。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?？刂破鞯姆较蛐盘?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)。 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]。多數(shù)電機(jī)繞組都是連續(xù)的交流或直流供電，而步進(jìn)電機(jī)各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是斷續(xù)的。繞組通電時(shí)，電流上升受到限制，因此影響電機(jī)繞組電流的大小。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。 ，這些電勢(shì)的方向和大小將對(duì)繞組電流產(chǎn)生很大的影響。 、互感電勢(shì)、旋轉(zhuǎn)電勢(shì)。當(dāng)其疊加結(jié)果使電機(jī)繞組兩端的電壓大大超過(guò)電源電壓時(shí)，使驅(qū)動(dòng)器工作條件更為惡化。 所以，根據(jù)以上的特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器必須要保證步進(jìn)電機(jī)繞組有足夠的電壓、電流和正確的波形，而且同時(shí)要保證驅(qū)動(dòng)器功率放大器件安全運(yùn)行，還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗、較低的成本，這就要求選用合適的功率器件 合理設(shè)計(jì)線路。 1975 年美國(guó)學(xué)者 首次在美國(guó)增量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及器件年會(huì)上提出了步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分的控制方法。實(shí)踐證明，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本思想是 :各相繞組的通電狀態(tài)改變時(shí)，不是將繞組電流全部通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組電流的一部分，則電機(jī)的合成磁場(chǎng)的改變也只有原來(lái)的一部分，因?yàn)檗D(zhuǎn)子的平衡位置與電機(jī)中的合成磁場(chǎng)的方向保持同步，所以轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)行也只有原先步距角的一部分。電流分成多少個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的次數(shù)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，這種將原先的一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的 驅(qū)動(dòng)方法，稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。經(jīng)過(guò)細(xì)分后，驅(qū)動(dòng)電流的變化幅度大大減少，故轉(zhuǎn)子到達(dá)平