【正文】 定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(步進(jìn)角)。同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。實(shí)際操作時(shí)不受電源電壓，負(fù)載，環(huán)境，溫度的影響能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。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)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向主要有如下三點(diǎn):（1）進(jìn)一步完善和擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)和控制功能。（2）高功率密度步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。為了徹底克服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)一些根本性的弱點(diǎn)，如振蕩的傾向及失步等，可改為閉環(huán)系統(tǒng)，但這種改變使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)已起了質(zhì)的變化，不再是本來意義上的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而成為無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM) ，或交流伺服電機(jī) (AC SERVO） 。自 1971 年 Intel 公司制造出第一塊 4 位微處理器以來，發(fā)展十分迅猛，經(jīng)歷了 4 位機(jī)、低檔 8 位機(jī)、高檔 8 位機(jī)、16 位機(jī)及最新一代的單片機(jī)。芯片向高集成化，低功耗方向發(fā)展，使得單片機(jī)在大量數(shù)據(jù)的及時(shí)處理、高級通信系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、復(fù)雜工業(yè)過程控制、高級機(jī)器人以及局域網(wǎng)等方面得到大量應(yīng)用。按照單片機(jī)特點(diǎn)，單片機(jī)可分為單機(jī)應(yīng)用和多機(jī)應(yīng)用。如溫室人工氣候控制、水閥自動(dòng)控制、電鍍生產(chǎn)線自動(dòng)控制、汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。如溫度、壓力、流量、濃度的測量、顯示及儀表控制。（3）機(jī)電一體化產(chǎn)品：如簡易數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械等。如大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，用單片機(jī)對 ADC 接口進(jìn)行控制不僅可提高采集速度還可對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。多機(jī)應(yīng)用主要領(lǐng)域有：（1）功能集散系統(tǒng)：多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能的要求而設(shè)置的多機(jī)系統(tǒng)。（2）并行多控制系統(tǒng)：并行多控制系統(tǒng)主要解決工程應(yīng)用系統(tǒng)的加速問題，以便構(gòu)成大型實(shí)時(shí)工程應(yīng)用系統(tǒng)。（3）局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的出現(xiàn)，使單片機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的水平。 主要研究工作硬件設(shè)計(jì)方面：通過單片機(jī)實(shí)驗(yàn)加深對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源和電機(jī)工作情況了解，測定并研究其在單步運(yùn)行狀態(tài)，角位移和脈沖數(shù)關(guān)系，平均轉(zhuǎn)速和脈沖頻率的關(guān)系。根據(jù)功能需要選擇電路元器件和型號，設(shè)計(jì)電路并能解決現(xiàn)實(shí)抗干擾問題。軟件設(shè)計(jì)方面：通過匯編語言編寫核心模塊對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。由于轉(zhuǎn)速是通過調(diào)節(jié)脈沖頻率實(shí)現(xiàn)的，因此設(shè)計(jì)脈沖分配采用完全軟件方式，既按照給定的通電換向順序，通過單片機(jī) I/O 口向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖，這樣就避免采用復(fù)雜脈沖分配芯片，來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制。第二章 步進(jìn)電機(jī)原理及驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是：它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。其基本原理如下：（1）控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。（3）步進(jìn)電機(jī)指標(biāo)相數(shù)：產(chǎn)生不同對極 N、S 磁場的激磁線圈對數(shù)（用 m 表示） 。步距角：對應(yīng)一個(gè)脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 θ表示。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360 度/（504）= 度（俗稱整步） ，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360 度/（508）= 度（俗稱半步） 。靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。②步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 80～90 度完全正常。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢，頻率越高，反向電動(dòng)勢越大。④步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有噪聲。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。（5）常用步進(jìn)電機(jī)的類型現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR） 、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM） 、混合式步進(jìn)電機(jī)（ HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 度，但噪聲和振動(dòng)都很大。混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。②步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。④轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號電機(jī)。⑥高精度時(shí)，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來解決，也可以采用 5 相電機(jī)，不過其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是不準(zhǔn)確的。⑧電機(jī)在 600PPS（ 度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式步進(jìn)電機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)方式是全電壓驅(qū)動(dòng)，即在電機(jī)移步與鎖步時(shí)都加載額定電壓。由于步進(jìn)電機(jī)鎖步時(shí)，限流電阻要消耗掉大量的功率。步進(jìn)電機(jī)的另一種驅(qū)動(dòng)方式是高低壓驅(qū)動(dòng)，即在電機(jī)移步時(shí)加額定或超過額定值的電壓，在較大電流驅(qū)動(dòng)下，使電機(jī)快速移步。這樣既可以減少限流電阻的功率消耗，又可以提高電機(jī)運(yùn)行速度，但這種驅(qū)動(dòng)方式的電路相對要復(fù)雜一些?，F(xiàn)在脈沖分配器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，芯片化，市場上可以買到。步進(jìn)電機(jī)控制也可以使用軟件方法，即使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，這樣不但簡化了電路，而且也降低了成本。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備—步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。信號放大級 推動(dòng)級環(huán)形分配級 驅(qū)動(dòng)級保護(hù)級圖 21 驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主要構(gòu)成如圖 21 所示，一般由環(huán)形分配器、信號處理級、推動(dòng)級、驅(qū)動(dòng)級等部分組成，用于功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器還要有多種保護(hù)線路。每來一個(gè) CP 脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。同時(shí)，環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序或者按反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或截止的信號送入信號放大與處理級。信號處理級是實(shí)現(xiàn)信號的某些轉(zhuǎn)換、合成、產(chǎn)生斬波、抑制等特殊功能的信號，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動(dòng)。推動(dòng)級的作用是將較小的信號加以放大，變成足以推動(dòng)驅(qū)動(dòng)級輸入的較大信號。保護(hù)級的作用是保護(hù)驅(qū)動(dòng)級的安全。有時(shí)還需要對輸入信號進(jìn)行監(jiān)護(hù)，發(fā)現(xiàn)輸入異常也提供保護(hù)動(dòng)作。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)各種電子設(shè)備的最末級一般需要功率放大，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)也是這樣。但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與一般電子設(shè)備的驅(qū)動(dòng)有不同的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：（1）各相繞組都是開關(guān)工作。（2）電動(dòng)機(jī)各相繞組都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)該電流截止的相不能立即截止。繞組導(dǎo)通和截止過程中都會(huì)產(chǎn)生較大的反電勢，而截止時(shí)的反電勢將對驅(qū)動(dòng)級器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢基本上與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電勢越大，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。這些電勢與外加電壓共同作用于功率器件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)有單電壓驅(qū)動(dòng)、單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)、雙電壓驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、H 橋驅(qū)動(dòng)、多相橋驅(qū)動(dòng)、生頻升壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。圖 22 單電壓驅(qū)動(dòng)的單元線路所謂單電壓驅(qū)動(dòng)，是指在電動(dòng)機(jī)繞組工作過程中，只用一個(gè)方向電壓對繞組供電。前面推動(dòng)級輸出信號 In 作用于三極管的基極，其集電極接電動(dòng)機(jī)的一端繞組，繞組另一端直接與電源電壓連接。當(dāng)輸入信號是高電平時(shí) In 提供足夠大的基極電流使三極管 T 處于飽和狀態(tài)，若忽略其飽和壓降，則電源電壓全部作用在電動(dòng)機(jī)繞組上。電動(dòng)機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，繞組在一定的勵(lì)磁狀態(tài)下電流維持在穩(wěn)定值，稱為初態(tài)，這是一種靜止的鎖定狀態(tài)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速足夠低，即 CP 脈沖周期足夠長時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的每一步都可認(rèn)為是單步響應(yīng)的過程。此時(shí)繞組電流的單步響應(yīng)可以解方程求出，即： （22）1tieR?????????式中，τ 為繞組回路的電氣時(shí)間常數(shù)，且： （23）LR??步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有一個(gè)重要的問題是低頻振蕩。在某些運(yùn)行頻率下就會(huì)發(fā)生共振，此時(shí)電動(dòng)機(jī)根本沒有帶載能力，在空載時(shí)也不能正常運(yùn)行。與電動(dòng)機(jī)帶載的性質(zhì)、電壓高低、電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)都有一定的關(guān)系。歸納起來，單電壓驅(qū)動(dòng)器有如下特點(diǎn)：①線路簡單，成本低；②低頻時(shí)響應(yīng)較好；③有共振區(qū)；④高頻時(shí)帶載能力迅速下降。 橋驅(qū)動(dòng)圖 23 H 橋驅(qū)動(dòng)原理圖永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及二相、三相、五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說，勵(lì)磁繞組有時(shí)需通正向電流，有時(shí)需通反向電流。由四個(gè)晶體管 T1～T4 組成 H 橋的四臂，高壓管 TT 3 的集電極接高壓電源，低壓管 TT4 的發(fā)射極共地。當(dāng) If 為高電平時(shí)，TT4 導(dǎo)通，T T3 截止，電流經(jīng) T電動(dòng)機(jī)繞組、T4 到地，見圖 (b)。推動(dòng)級的信號邏輯應(yīng)使兩對角線晶體管不能同時(shí)導(dǎo)通，以免造成高低壓管的直通。(a)(b)圖 24 不同對角線晶體管導(dǎo)通時(shí)電流的方向 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的直流供電電源的確定（1）電壓的確定混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)較寬的范圍（比如IM483 的供電電壓為 12～48V） ，電源電壓通常根據(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。（2）電流的確定供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的輸出相電流 I 來確定。 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由步進(jìn)控制器、功率放大器和步進(jìn)電機(jī)組成，如圖 25所示。其作用是把輸入脈沖變?yōu)榄h(huán)形脈沖，以便實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和正反向控制。在這種控制中，由于步進(jìn)控制器線路復(fù)雜，成本高，限制了它的應(yīng)用。這不僅簡化了線路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性。 圖 26 微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行過程中，將可能出現(xiàn)失步，其失步原因有兩種：（1）轉(zhuǎn)子的加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場，也就是低于換相速度而產(chǎn)生的。（2）轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉(zhuǎn)速度，這時(shí)定子通電勵(lì)磁的時(shí)間較長，大于轉(zhuǎn)子步進(jìn)一步所需要的時(shí)間，則轉(zhuǎn)子在步進(jìn)過程中獲得過多的能量，從而產(chǎn)生前沖和后沖的擺動(dòng)振蕩，當(dāng)振蕩足夠嚴(yán)重時(shí)就會(huì)導(dǎo)致失步。圖 31 串行控制方式示意PIC8251TXDRXD環(huán)形分配器功率放大器步進(jìn)電機(jī) 并行方式用 PIC 單片機(jī)和 P1 的數(shù)據(jù)輸出信號直接控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方式，稱為并行控制。由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈沖分配有 2 種方法，一是純軟件方法，即完全用軟件來實(shí)現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止信號，主要有寄存器移位法和緩沖區(qū)查表法；二是軟硬件相結(jié)合的方法，單片機(jī)向可編程接口芯片 8255 輸出控制信號數(shù)據(jù)，在由可編程接口芯片輸出步進(jìn)電機(jī)的各相導(dǎo)通或截止的控制信號。PIC 系列單片機(jī)具有良好的抗干擾性能、簡潔的指令集，所需硬件配置較少，因此，在電腦的外設(shè)、家電控制、電信通信、智能儀器、汽車電子及金融電子等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。PIC 系列單片機(jī)是一種具有分散（多任務(wù)）功能的、面對控制應(yīng)用的一種微處理器。除了具有一般單片機(jī)所具有的實(shí)用、低價(jià)、低功耗、高速度、體積小、功能強(qiáng)等特點(diǎn)外，還具有品種多、指令集小、簡單易學(xué)、較強(qiáng)的抗干擾能力、徹底的保密性、自帶看門狗定時(shí)器等特點(diǎn)，體現(xiàn)了單片機(jī)發(fā)展的一種新趨勢。1 雙總線結(jié)構(gòu)在這里 PIC 系列單片機(jī)采用了一種雙總線結(jié)構(gòu)，即所謂哈佛結(jié)構(gòu)。這兩種總線可以采用不同的字長，如PIC 系列單片機(jī)是 8 位機(jī)，所以其數(shù)據(jù)總線當(dāng)然是 8 位。這樣，取指令是則經(jīng)指令總線，取數(shù)據(jù)是則經(jīng)數(shù)據(jù)總線，互不沖突。一條 12 位、14 位或 16 位的指令可能會(huì)具有兩條 8 位指令的功能。2 兩級指令流水線結(jié)構(gòu)由于 PIC 系列單片機(jī)采用了指令空間和數(shù)據(jù)空間分開的哈佛結(jié)構(gòu)，用了兩種位置不同的總線，因此，取指令和取數(shù)據(jù)有可能同時(shí)交疊進(jìn)行，所以在 PIC系列微控制器取指令和執(zhí)行指令就采用指令流水線結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)谝粭l指令執(zhí)行完畢，就可執(zhí)行第二條指令，同時(shí)取出第三條指令……如此等等。在大多數(shù)微控制器中，取指令和執(zhí)行指令都是順序進(jìn)行的，但在 PIC 單片機(jī)指令流水線結(jié)構(gòu)中，取指令和執(zhí)行指令在時(shí)間上是互相重疊的，所以用 PIC系列單片機(jī)才可實(shí)現(xiàn)單周期指令。此外，PIC 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還體現(xiàn)在寄存器組上，如寄存器 I/O 端口、定時(shí)器和程序寄存器等都采用了 RAM 結(jié)構(gòu)形式，而且都只需要一個(gè)周期就可以完成訪問和操作。上述各項(xiàng)就是 PIC 系列單片機(jī)能做到指令總數(shù)少，且大都為單周期指令的重要原因。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差累積。（1）雙相三拍控制雙相三拍控制模型如表 31 所示表 31步序 PB 口輸出狀態(tài) 繞組 控制字1 00000011 AB 03H2 00000110 BC 06H3 00000101 CA 05H假定有如下工作單元和工作位定義：R0 為步進(jìn)數(shù)寄存器；PSW 中，F(xiàn) 0為方向標(biāo)志位， F0=0 正轉(zhuǎn)，F(xiàn)