【正文】 機(jī)構(gòu)中，這被認(rèn)為最早的步進(jìn)電機(jī)。到 20 世紀(jì) 60 年代后期，在步進(jìn)電機(jī)本體方面隨著永磁材料的發(fā)展，各種實(shí)用性步進(jìn)電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。在生產(chǎn)過(guò)程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡 ，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場(chǎng)合步進(jìn)電機(jī)用得最多。我國(guó)在文化大革命中開始大量生產(chǎn)和應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)，例如江蘇、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，其中的驅(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。 70 年代初期，步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)和研究都有所突破，除反映在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面的長(zhǎng)足進(jìn)步以外，對(duì)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)本體的設(shè)計(jì)研究發(fā)展到一個(gè)較高的水平。至 80 年代中期以來(lái)，由于步進(jìn)電機(jī)精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品廣泛利用。僅僅處于一種盲目的仿制階段。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)， 交流電機(jī) 在常規(guī)下使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。 第二章 步進(jìn)電機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)、工作原理 及特性 步進(jìn)電機(jī)的概念 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)。我們可以通過(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；同時(shí)我們也可以通過(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。這一線性關(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)。 畢業(yè)論文 3 從原理上講，步進(jìn)電機(jī)是一種低速同步電動(dòng)機(jī)。 2. 步進(jìn)電機(jī)外表 不 允許較高的溫度。 3. 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 5. 由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常的可靠。 6. 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停，正反轉(zhuǎn)及變速。 8. 步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電 源。 定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。與齒5 相對(duì)齊，（ A39。 2. 轉(zhuǎn)子： 由軟磁材料制成，其外表面也均勻地分布著小齒 ,與定子上的小齒相同， 并且小齒的大小相同，間距相同。 如果給處于錯(cuò)齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大（即最小磁阻位置）位置轉(zhuǎn)動(dòng)，即向趨于對(duì)齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)。以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例： 如 A 相通電， B， C 相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒 1 與 A 對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如 C 相通電， A， B 相不通電，齒 3 應(yīng)與 C 對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò) 1/3π，此時(shí)齒 4 與 A 偏移為 1/3π對(duì)齊。如按 A， C， B， A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。而方向由導(dǎo)電順序決定。往往采用 AABBBC－ CCAA 這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步 1/3π改變?yōu)?1/6π。 不難推出：電機(jī)定子上有 m 相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移 1/m,2/m……(m 1)/m,1。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。 步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語(yǔ) 1. 齒距角：相鄰兩齒中心線間的夾角，通常定子和轉(zhuǎn)子具有相同的齒距角。 θb=θz/N = 2π/NZ (N是工作拍數(shù)， Z 是轉(zhuǎn)子的齒數(shù) ) 3. 步距角精度 ： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 15%以內(nèi)。 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī) 轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。 6. 最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 8. 響應(yīng)頻率： 在某一頻率范圍內(nèi)步進(jìn)電機(jī)可以任意運(yùn)行而不會(huì)丟失一步，則這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。 10. 單步響應(yīng)： 指步進(jìn)電機(jī)在帶電不動(dòng)的情況下，改變一次脈沖電壓，轉(zhuǎn)子由起動(dòng)到停止的運(yùn)動(dòng)軌跡 。 振蕩 步進(jìn)電機(jī)的振蕩現(xiàn)象主要發(fā)生于：步進(jìn)電機(jī)工作在低頻區(qū)，步進(jìn)電機(jī)工作在共振區(qū)，步進(jìn)電機(jī)突然停車時(shí)。當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)過(guò)平衡點(diǎn)后，電磁力又產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，迫使轉(zhuǎn)子又正向轉(zhuǎn)動(dòng)。由于有機(jī)械摩擦和電磁阻尼的作用，這個(gè)振蕩表現(xiàn)為衰弱振蕩，最終穩(wěn)定在平衡點(diǎn)。振蕩失步的過(guò)程可描述如下：在第一個(gè)脈 沖到來(lái)后，轉(zhuǎn)子經(jīng)歷了一次振蕩。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在高頻率區(qū)時(shí)，由于換相周期短，轉(zhuǎn)子來(lái)不及反沖，同時(shí)，繞組中的電流尚未上升到穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)子沒(méi)有獲得足夠的能量，所以在這個(gè)工作區(qū)中不會(huì)產(chǎn)生振蕩。 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)。 步進(jìn)電機(jī)失步的原因 有 2 種 : 1. 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速慢于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度 （ 或者說(shuō)慢于換相速度 ） 。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有一個(gè)啟動(dòng)頻率啟動(dòng)時(shí)，肯定會(huì)產(chǎn)生失步。 2. 轉(zhuǎn)子的平均速度大于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度 。 畢業(yè)論文 7 阻尼方法 消除振蕩是通過(guò)增加阻尼的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要有機(jī)械阻尼法和電子阻尼法兩大類。 1. 多相勵(lì)磁法： 采用多相勵(lì)磁會(huì)產(chǎn)生電磁阻尼，會(huì)削弱或消除振蕩現(xiàn)象。所以，可以設(shè)計(jì)一種電路，使電壓隨頻率的降低而減少，這樣使繞組在低頻時(shí)的電流減少，可以有效地消除振蕩。同時(shí)，也相對(duì)地提高步進(jìn)頻率，使步進(jìn)過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行。 第 三 章 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。 單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口 單電壓驅(qū)動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)繞組在工作時(shí)，只用一個(gè)電壓電源對(duì)繞組供電，它的特點(diǎn)是電路最簡(jiǎn)單。 實(shí)用電路如下圖所示。一般情況下，簡(jiǎn)單單電壓驅(qū)動(dòng)線路中， Rs 是不可缺 少的。這一矛盾不能解決時(shí)，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的高頻性能下降，可在 R1 兩端并聯(lián)一個(gè)電容，以使電流的上升波形變陡，來(lái)改善高頻特性，但這樣做又使低頻性能變差。 雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口 用提高電壓的方法可以使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動(dòng)。 雙電壓驅(qū)動(dòng)的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓 UL 驅(qū)動(dòng)，而在高速（高頻段）時(shí)用較高的電壓 UH 驅(qū)動(dòng)。圖 中，功率管 TH和二極管 DL 構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。反之 Uh 高電平， TH 導(dǎo)通， DL 反偏，高電壓 UH 對(duì)繞組供電。其電路圖如下所示： 畢業(yè)論文 9 圖 雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口 電路 雖然這方法保證了低頻段仍然具有單電壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，在高頻段具有良好的高頻特性，但仍沒(méi)有擺脫單電壓驅(qū)動(dòng)的弱點(diǎn)，在限流電阻 R 上仍然會(huì)產(chǎn)生損耗和發(fā)熱。這一作用同樣改善了驅(qū)動(dòng)器的高 頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻 Rs，消除了附加損耗。一般可取 1~3ms。 高低壓驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示： 圖 高低 壓驅(qū)動(dòng)接口 電路圖 高低壓驅(qū)動(dòng)法是目前普遍應(yīng)用的一種方法，由于這種驅(qū)動(dòng)在低頻時(shí)電流有較大的上沖，電動(dòng)機(jī)低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象存在，使用時(shí)要注意。 2. 只要負(fù)載是在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍之內(nèi)，每個(gè)脈沖將使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的步距角度。 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理 脈沖序列的生成 圖 脈沖的生成 脈沖幅值 ： 由數(shù)字元件電 平?jīng)Q定。要求：確保步進(jìn)到位。 三相六拍，通電順序?yàn)?: 正轉(zhuǎn) : A?AB?B?BC?C?CA 反轉(zhuǎn) : A?AC?C?CB?B?BA 改變通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 脈沖分配 實(shí)現(xiàn)脈沖分配（也就是通電換相控制）的方法有兩種：軟件法和硬件法 通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配 軟件法是完全用軟件的方式，按照給定的通電換相順序，通過(guò)單片機(jī)的 IO向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖，下面以三相六拍為例 上面提到了 三相六拍工作方式通電換相得正序?yàn)?AABBBCCCAA,，反序?yàn)?AACCCBBBAA 圖 用軟件實(shí)現(xiàn) 脈沖分配的接口示意圖 注： ： A 相驅(qū)動(dòng) ： B 相驅(qū)動(dòng) ： C 相驅(qū)動(dòng) 三相六拍控制字如下表所示： 表 三相六拍工作方式的控制字 通電狀態(tài) 控制字 畢業(yè)論文 12 A 0 0 1 01H AB 0 1 1 03H B 0 1 0 02H BC 1 1 0 06H C 1 0 0 04H CA 1 0 1 05H 注： 0 代表使繞組斷電， 1 代表使繞組通電 在程序中，只要依次將這 10 個(gè)控制字送到 P1 口，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角，每送一個(gè)控制字，就完成一拍，步進(jìn)電 機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。 通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配 所謂硬件法實(shí)際上就是使用脈沖分配器 8713，來(lái)進(jìn)行通電換相控制。 8713 可以選擇單時(shí)鐘輸入或雙時(shí)鐘輸入，具有正反轉(zhuǎn)控制、初始化復(fù)位、工作方式和輸入脈沖狀態(tài)監(jiān)視等功能，所有輸入端內(nèi)部都設(shè)有斯密特整形電路，提高抗干擾能力，使用 4~18V 直流電源，輸出電流為 20mA。 如下圖所示： 圖 89C51單片機(jī)系列 和 8713脈沖分配器 的接口圖 畢業(yè)論文 13 由于采用了脈沖分配器，單片機(jī)只需提供步進(jìn)脈沖，進(jìn)行速度控制和轉(zhuǎn)向控制，脈沖分配的工作交給 8713 來(lái)自動(dòng)完成，因此， CPU 的負(fù)擔(dān)減輕許多。驅(qū)動(dòng)器可用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動(dòng)器。由于步 進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)功率較大，可在微型機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間增加一級(jí)光電隔離器（一是抗干擾，二是電隔離。 電路圖如下所示： X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U18 0 C5 1D034D133D232D331D430D529D628D727RD5WR36A09A18RE S E T35CS6P A 04P A 13P A 22P A 31P A 440P A 539P A 638P A 737P B 018P B 119P B 220P B 321P B 422P B 523P B 624P B 725P C 014P C 115P C 216P C 317P C 413P C 512P C 611P C 710U28 2 5 5 AP A CK A G E = DI L 4 0P O RT DH L = 2 0 nX1CR Y S T A LC11 0 u FR11 0 kC23 0 p FC33 0 p F1B11C162B22C153B33C144B44C135B55C126B66C117B77C10CO M9U3ULN20 0 3 A+ 8 8 . 8斷開 正轉(zhuǎn)閉合 反轉(zhuǎn)R21 0 kSW 圖 單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口電路圖 1. 圖中 K K K K4按鈕分別控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)