【正文】 .................................44 參考文獻(xiàn) ...........................................................................................................45 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第一章 引言 課題提出的背景和研究意義 由于步進(jìn)電機(jī)不需要位置傳感器或速度傳感器就可以實(shí)現(xiàn)定位，即使在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下它的控制效果也是令人非常滿(mǎn)意的，這有利于裝置或設(shè)備的小型化和低成本，因此步進(jìn)電機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)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(jìn)電機(jī)的速度盡可能地快，但如果速度太快，則可能發(fā)生失步。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，它的啟動(dòng)頻率要低于最高空載啟動(dòng)頻率。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)的工作頻率又遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率。從高速運(yùn)行到停止也應(yīng)該有一個(gè)減速的過(guò)程，防止步進(jìn)電機(jī)因?yàn)橄到y(tǒng)慣性的原因，而發(fā)生沖過(guò)終點(diǎn)的現(xiàn)象。因?yàn)?步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出的脈沖頻率 【 1 】 。步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，失步或者過(guò)沖都會(huì)直接影響其控制精度。 課題的主要研究?jī)?nèi)容 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 通過(guò)查閱文獻(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的單拍運(yùn)行、雙拍運(yùn)行、單雙 拍運(yùn)行等各種運(yùn)行方式進(jìn)行研究，深入了解各種運(yùn)行方式的特點(diǎn)和對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制性能的影響。 步進(jìn)電機(jī)的續(xù)流電路 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的控制特點(diǎn)，分析續(xù)流電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制性能的影響，并設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的續(xù)流電路。 程序的調(diào)試及修改 用 Keil 軟件進(jìn)行編程和調(diào)試，并且在 Proteus 環(huán)境下進(jìn)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?jī)?nèi)容。轉(zhuǎn)子用軟磁材料制成，也是凸極結(jié)構(gòu)，只有兩個(gè)齒，齒寬等于 定子的極靴寬 【 2】 。 當(dāng) A 相繞組通電如圖 (a) 所示，而 B 相和 C 相不通電時(shí)， A 相的兩個(gè)磁極被勵(lì)磁，一個(gè)呈 N 極另一個(gè)呈 S 極，由于磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心的電磁吸力，使轉(zhuǎn)子軸線對(duì)準(zhǔn) A 相磁極的軸線。同樣道理，當(dāng) A 相斷開(kāi)，接通 B 相時(shí)，如圖 (b) 所示， B相磁極對(duì)轉(zhuǎn)子的電磁力將使轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò) 60176。如此按 ABCA 的順序使三相繞組輪流通電，則轉(zhuǎn)子依順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)。上述三相三拍運(yùn)行，表示三種 通電狀態(tài)為一個(gè)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(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為步距角，通常用θ s 表示，圖 中轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過(guò)的步距角為 60176。當(dāng) A 相通電時(shí)如圖 (a)所示，轉(zhuǎn)子齒 3 對(duì)準(zhǔn) A 相磁極軸線重合，當(dāng) B 相通電時(shí)如圖 (b)所示，轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò) 30176。轉(zhuǎn)子齒 3 對(duì)準(zhǔn) C 相磁極軸線的位置，由此可見(jiàn)，每通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 30176。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jìn)電機(jī) 三相雙三拍通電方式 如 果 將 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 控 制 繞 組 的 通 電 方 式 改 為 ： ABBCCAAB 或ACCBBCCA。圖 (a) 為 AB 相同時(shí)通電的情況，圖 (b) 為 BC 相通電的情況，可見(jiàn)轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 30176。例如由 AB 相通電變?yōu)?BC 相通電時(shí)， B 相保持繼續(xù)通電狀態(tài)， C 相磁極力圖使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而 B 相磁極卻起阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以步 進(jìn)電機(jī)工作比較平穩(wěn)，三相單三拍運(yùn)行時(shí)，由于沒(méi)有這種阻尼用，所以轉(zhuǎn)子到達(dá)新的平衡位置后會(huì)產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性能遠(yuǎn)不如雙三拍運(yùn)行方式。通電方式由 AB 轉(zhuǎn)為 B 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)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(kāi) A 相磁極軸線 30176。如此類(lèi)推，可見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)每走一步，將轉(zhuǎn)過(guò)15176。 六拍運(yùn)行方式與雙 三拍相同，由一個(gè)通電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪煌姞顟B(tài)時(shí)，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(shí)，其對(duì)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(duì)于轉(zhuǎn)子磁極數(shù)不同的步進(jìn)電機(jī)，也會(huì)有不同的步距角。 /mKZR (11) 式中 m — 控制繞組相數(shù)； 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(dāng)通電方式為單拍，即拍數(shù)與相數(shù)相同，K=1；為雙拍時(shí)，即拍數(shù)為相數(shù)的兩倍時(shí)， K=2。環(huán)形分配器的主要 功能是把單片機(jī)發(fā)出的脈沖信號(hào)按一定的規(guī)律分配給步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，控制繞組的導(dǎo)通和截止。可以說(shuō)環(huán)形脈沖分配器是一種特殊的可逆循環(huán)計(jì)數(shù)器， 但它輸出的不是一般的編碼，而是步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁狀態(tài)所要求的特殊編碼 【 4 】 。串行控制時(shí)，控制器輸出脈沖信號(hào)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(dòng)信號(hào)，再控制繞組的導(dǎo)通和截止。并行控制時(shí)，控制器直接輸出各相繞組的導(dǎo)通和截止信號(hào)，此時(shí)環(huán)形脈沖分配器在控制器中，由軟件來(lái)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(gè)環(huán)節(jié)。如果全部用硬件來(lái)搭成，結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的，不能滿(mǎn)足步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(mǎn)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(gè)可逆的循環(huán)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)脈沖的有無(wú)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行與停止，計(jì)數(shù)器加減控制端控制步進(jìn)電機(jī) 的正反轉(zhuǎn)，如果低電平時(shí)計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果高電平時(shí)計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。簡(jiǎn)單的說(shuō)存儲(chǔ)器存入的是一個(gè)環(huán)形脈沖分配器的狀態(tài)輸出表，計(jì)數(shù)器每輸入一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器計(jì)一個(gè)數(shù)，這個(gè)數(shù)值就會(huì)選通存儲(chǔ)器的一個(gè)地址，存儲(chǔ)器就輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，即步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)勵(lì)磁狀態(tài)。 圖 含有 EPROM 環(huán)形脈沖分配器 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 用 EPROM 設(shè)計(jì)環(huán)形脈沖分配器，具有如下的特點(diǎn)： 線路簡(jiǎn)單。對(duì) EPROM 存儲(chǔ)器的主要工作是編程，存儲(chǔ)狀態(tài)表，所以工作量小。 可排除非法狀態(tài)。存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的內(nèi)容，除了在選通的地址存儲(chǔ)所需的狀態(tài)表之外，其他沒(méi)用的地址都存儲(chǔ)各相截止的信號(hào)。 由于勵(lì)磁狀態(tài)是按運(yùn)行拍數(shù)循環(huán)的，所以存儲(chǔ)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(jì)數(shù)器是可逆計(jì)數(shù)器，同時(shí)計(jì)數(shù)長(zhǎng)度是運(yùn)行循環(huán)拍數(shù)的整數(shù)倍。 由上可見(jiàn)，這種 方法適用于控制任意類(lèi)型的步進(jìn)電機(jī)。跟軟件的方法相比，需要增加硬件的成本，但軟件簡(jiǎn)單，速度快，少占用 CPU的時(shí)間，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 圖 環(huán)形脈沖分配器電路 由 EPROM 與可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成的環(huán)形脈沖分配器如圖 所示，計(jì)數(shù)器選用 74LS191， 74LS191 是四位二進(jìn)制進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘 脈沖從 CP 端輸入，計(jì)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(gè)地址（ 00H~0FH）。當(dāng)為高電平時(shí)做減法計(jì)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(dòng)力矩又可以提高控制精度。 EPROM 的存儲(chǔ)內(nèi)容如表 所示。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)下一相導(dǎo)通時(shí)，斷電相繞組中的衰減電流對(duì)步進(jìn)電機(jī)起制動(dòng)作用。 L 為繞組電感， R 為串聯(lián)回路的總電阻， E 為反電動(dòng)勢(shì)。如果 T 斷電，繞組中磁場(chǎng)能量將極力保持原有電流的方向。常用的步進(jìn)電機(jī)可以很容易產(chǎn)生數(shù)值哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 比步進(jìn)電機(jī)外加電壓大的峰值電感電動(dòng)勢(shì)。所以驅(qū)動(dòng)電路除了對(duì)步進(jìn)電機(jī)繞組提供導(dǎo)通回路外，還必須提供一個(gè)繞組斷電時(shí)的續(xù)流回路，其作用是既要保證電流的泄放的 速度，同時(shí)又要抑制電感電勢(shì)，保護(hù)晶體管不受感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)峰值的沖擊。在繞組導(dǎo)通期間，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)。 當(dāng)一相繞組斷電時(shí)，存儲(chǔ)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?，衰減時(shí)間常數(shù)為 L/R。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 圖 二極管泄放電路 圖 負(fù)載曲線 二極管 — 電阻續(xù)流 要求高速或變速運(yùn)行時(shí)，斷電繞組的能量必須盡快消耗，這可以通過(guò)增加一個(gè)與二極管串聯(lián)的電阻 Rs，以減少泄放回路的時(shí)間常數(shù)，此時(shí)斷電回路的時(shí)間常數(shù)為 L/(R+Rs)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)截止時(shí)，若通過(guò)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) 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 圖 二極管 — 電阻續(xù)流回路 圖 負(fù)載曲線 由以上分析可知續(xù)流電路的特點(diǎn)如下： (1) 斷電相的磁場(chǎng)能量總是消耗在回路的電阻上，其中包括電動(dòng)機(jī)繞組自身的電阻。 (3) 衰減時(shí)間常數(shù)大，在步進(jìn)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩，影響系統(tǒng)的特性。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，除與步進(jìn)電機(jī)的自身性能有關(guān)外，在很大程度上也取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。 驅(qū)動(dòng)級(jí)的功率放大器件有中功率晶體管、大功率的晶體管、達(dá)林頓管、可哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 控硅以及各種功率模塊。對(duì)于功率較大的步進(jìn)電機(jī)，由于繞組所需要 的電流較大、電壓高、反電動(dòng)勢(shì)也大，因此需要用大功率的的晶體管驅(qū)動(dòng)。 (2) 電動(dòng)機(jī)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(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)該截止的相不能立即截止。繞組導(dǎo)通和截止過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì)，而截止時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)將對(duì)驅(qū)動(dòng)級(jí)器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響。由于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)基本上與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電動(dòng)勢(shì)越大，繞組電流越小，從而使電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。這些電動(dòng)勢(shì)與外加電源共同作用于功率器件，當(dāng)其疊加結(jié)果使電動(dòng)機(jī)繞組兩端電壓大大超過(guò)電源電壓時(shí)，會(huì)使驅(qū)動(dòng)級(jí) 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哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(dòng)電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)而燒毀器件，因而在驅(qū)動(dòng)器與單片機(jī)之間增加一級(jí)光耦隔離器。 圖 驅(qū)動(dòng)電路 電路工作原理：當(dāng) A 輸出為 1 時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，因而光敏三極光截止，從而使達(dá) 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(jìn)電機(jī)按一定的方向步進(jìn) 【 5】 。因此要求步進(jìn)電機(jī)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(dòng)頻率是指步進(jìn)電機(jī)空載時(shí)，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)不失步地進(jìn) 入同步狀態(tài)（即步進(jìn)電機(jī)每秒鐘轉(zhuǎn)過(guò)的角度和控制頻率相對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)）的最大控制頻率。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性可知，啟動(dòng)頻率越高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小，帶負(fù)載的能力越差；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)的工作頻率又遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率。一般來(lái)說(shuō)，升頻的時(shí)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(dòng)時(shí)，以低于響應(yīng)頻率 fs 的速度運(yùn)行；然后開(kāi)始慢慢加速，加速到一定頻率 fe 后就以此速率恒速運(yùn)行。這樣步進(jìn)電機(jī)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(diǎn) — 位控制的加減 速過(guò)程 對(duì)于一個(gè)非常短的距離，如在數(shù)步范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的加減速過(guò)程沒(méi)有實(shí)際意義，只需要按起動(dòng)頻率運(yùn)行即可。系統(tǒng)在工作過(guò)程中，都要求加減速的時(shí)間盡量短，而恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。 加速時(shí)的起始速度應(yīng)該等于或略小于系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率，而不是從零開(kāi)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(shí)際上步進(jìn)電機(jī)升速時(shí)由于反電動(dòng)勢(shì)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(huì)有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速時(shí)，加速度是逐漸下降的，接近步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律 【 7 】 。用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制，即控制 CP 脈沖的時(shí)間間隔。本系統(tǒng)采用定時(shí)器中斷來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的加減速，實(shí)際上是不斷改變 定時(shí)器的定時(shí)初值的大小。 步進(jìn)電機(jī)的加減速控制技術(shù)是步進(jìn)電機(jī)控制中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響步進(jìn)電機(jī)運(yùn)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(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的綜合性能。 哈爾濱廣廈畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 變速控制的方法 改變控制方式的變速控制 最簡(jiǎn)單的變速控制可以利用改變步進(jìn)電機(jī)的控制方式實(shí)現(xiàn)。 均勻地改變脈沖時(shí)間間隔的變速控制 步進(jìn)電機(jī)的加減速控制，可以均勻地改變脈沖時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體地說(shuō)，就是均勻地增加或減少延時(shí)程序中延時(shí) 時(shí)間常數(shù)。 采用定時(shí)器的變速控制 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，可以