【正文】 ............ 54 附 錄 C ............................................................................................................................. 68 東北大學 秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 I 頁 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 1 頁 1 緒 論 課題研究背景及意義 課題研究背景 步進電動機是一種新型增量式電動機 ，是數(shù)字控制系統(tǒng)的一種執(zhí)行原件。 本文設計了一種基于 EASYARM1138 的 4 相混合式步進電機細分驅(qū)動控制系統(tǒng)，采用 EASYARM1138 開發(fā)板作為控制核心， STK672080 驅(qū)動芯片作為功率驅(qū)動器件來實現(xiàn)對 4 相混合式步進電動機的細分控制。當要求步進電動機有更小的步距角，更高的分辨率 (即脈沖當量 )，或者為減小步進電機本身所固有的低頻振動、噪聲等問題時，細分是有效的解決途徑。 畢業(yè)設計 (論 文 ) 基于 ARM 的步進電動機控制系統(tǒng) 的設計 系 別 自動化工程系 專業(yè) 名稱 測控技術與儀器 班級 學號 5060809 學生 姓名 刁君龍 指導教師 吳朝霞 2020 年 6 月 15 日 東北大學 秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 I 頁 基于 ARM 的步進電動機控制系統(tǒng) 的設計 摘 要 步進電動機突出的優(yōu)點是它可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，并且由其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，且非常可靠，因此在眾多領域有著極其廣泛的應用。 步進電動機必須和驅(qū)動控制器配合使用，而不能直接接到交直流電源上工作。 STK672080 是 SANYO 公司生產(chǎn)的一種 4 相步進電機驅(qū)動器厚膜混合集成電路，它的輸出電流很大，具有五種激 勵方式，利用 STK672080 內(nèi)部的微步距正弦波控制器可使電動機運行在低振動和低噪音的工作狀態(tài)。本設計實現(xiàn)了對步進電動機的頻率的手動調(diào)節(jié)，細分調(diào)節(jié)，方向調(diào)節(jié)等功能，可以實現(xiàn)步進電動機最大 1/16 的細分控制。它是利用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移或線位移的電動機。用步進電機作為驅(qū)動裝置構(gòu)成的控制系統(tǒng)，具有成本低，控制簡單，容易維護等優(yōu)點 [1]。作為機床控制、天線控制、電子瞄準、 FA 工廠自動化、 OA 辦公自動化裝置中應用的重要執(zhí)行部件，顯示出廣闊的發(fā)展前景。經(jīng)過近七十年的發(fā)展，逐漸形成以混合式及反應 式為主的產(chǎn)品格局。既有反應式步進電動機基于氣隙磁導變化的特征，又有軸向恒定磁場的永磁 式步進電動機的特征。具有分辨率高，控制功率小等優(yōu)點，是應用最為廣泛的步進電動機種類，至今沒有發(fā)現(xiàn)更合適取代它的產(chǎn)品。 國外步進電動機研究較早，對步進電機驅(qū)動技術的研究一直很活躍，如今正在研究開發(fā)以步進電動機為執(zhí)行機構(gòu)的高性能伺服系統(tǒng)。日本有很多公司生產(chǎn)，像 JAPAN SERVO， SANYO DENKI 等。在我國，步進電動機的研制始于 1958 年。在國外，特別是工業(yè)發(fā)達國家，步進電動機及其驅(qū)動單元早已規(guī)模化生產(chǎn)，我國與之相比還有一定的差距。從步進電動機驅(qū)動單 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 2 頁 元發(fā)展歷史來看，電機 相數(shù)不同，如 2 相、 3 相、 4 相、 5 相、 9 相等。然而由于步進電動機和其它電機有著很大差別，具有其它電機所沒有的特性。 步進電動機的使用性能與它的驅(qū)動電路有密切的關系，隨著電力電子技術及微電子技術及其器件的發(fā)展，驅(qū)動器的面貌不斷改變?？煽毓桦m然出發(fā)簡單，但關斷困難，總的來看線路復雜、易形成誤觸發(fā)、可靠性差、不便于調(diào)試和維護、抗干擾能力不好，近些年來隨著大功 率晶體管的發(fā)展一般不再采用。功率集成電路 (PIC)將功率器件、前級驅(qū)動電路、控制電路及保護電路等都集成在一起，具有較強的功能和較大的輸出功率，用這種器件做成步進電動機驅(qū)動器，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定及運行可靠等 優(yōu)點 。驅(qū)動器控制電路發(fā)展的一個重要方面是集成電路專用芯片的采用 ， 如 F/V 變換器 (LM2917)， V/W 變換器 (SG3525， TL494)，微步控制與功率器件集成在一起的芯片 (STK672080)等，更使步進電 動機驅(qū)動器的研制上了一個新臺階，使其性能指標有了顯著的提高。其它一些控制技術，如矢量控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡控制等也獲得了飛速的發(fā)展和應用。首先，精確的分析和設計，模型的建立和完善，是一項重要的基礎研究，至今還有很多工作要做，它可以為各類問題的深入分析提供基礎，為優(yōu)化設計指出方向。 課題研究的意義 隨著步進電動機系統(tǒng)在各種數(shù)字控制系統(tǒng)中的廣泛應用，各種數(shù)字控制系統(tǒng)隨步進電機性能和使用條件的要求也越來越高。眾所周知，國內(nèi)這方面的研究一直很活躍，但是可供選用的高性能的步進電動機驅(qū)動器卻很少，而且國內(nèi)的驅(qū)動器方面基本都存在著體積 大、外形 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 尺寸不規(guī)則、性能指標不穩(wěn)定及遠沒有達到系列 化 等問題，這就給驅(qū)動器的選用和安裝帶來了極大的不便，國外 雖然 有通用的各種類型的步進電動機驅(qū)動器，但大都存在價格昂貴，與我國的系統(tǒng)連接不匹配等問題。步進電動機在運行時，一般有以下問題： 各相繞組都是開關工作，多數(shù)電動機繞組都是連續(xù)的交流或直流，而步進電動機各項繞組都是脈沖式供電所以繞組電流不是連續(xù)的。繞組通電時，電流不能迅速上升至額定值，電流上升率 受 到限制，繞組斷電時，應該電流截止的相不能立即截止。 電動機運轉(zhuǎn)時在各相繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，這些電勢的大小和方向?qū)@組電流產(chǎn)生很大的影響。 步進電機的固有分辨率不高，不能精密位移。/176。 步進電動機在低頻運行時的振蕩及過沖問題，嚴重限制了步進電動機的應用范圍。 近代驅(qū)動技術的發(fā)展，使得電動機每轉(zhuǎn)步數(shù)的設計可以不受相數(shù)的限制，本課題以四相混合式步進電動機為代表作為研究對象，以先進的驅(qū)動技術為研究目的，開發(fā)高性能，高可靠性的驅(qū)動器 ，與四相混合式步進電動機合理搭配使用。 步進電動機驅(qū)動技術 研究現(xiàn)狀 隨著科學技術的發(fā) 展，步進電機的驅(qū)動電路也不斷改進，發(fā)展了好幾種驅(qū)動方式。 單電壓串電阻驅(qū)動主電路采用單管單端結(jié)構(gòu)，串電阻是為了使繞組導通電流上升的前端變陡，改善高頻的特性。 (2)雙電壓驅(qū)動 雙電壓驅(qū)動的基本思想是在較低的頻率段用較低的電壓驅(qū)動，而在高頻段時用較高的電壓驅(qū) 動，其主電路采用的是雙管雙端驅(qū)動結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換頻率將整個頻域分成兩段，特性不連續(xù)，在低于 或 接近轉(zhuǎn)換頻率時輸出特性下降較大。 主電路采用雙管雙端結(jié)構(gòu)。優(yōu)點是電機相繞組在很寬的頻域都保持很大的平均電流，截止時瀉放迅速，擴大了步進電機的運行頻域；缺點是低頻運行時，繞組的上沖電流比較大，電機的低頻域運行不平穩(wěn)，噪聲較大。 這類驅(qū)動器的優(yōu)點是單步響應沖量小，能夠抑制低頻振蕩，運行頻域?qū)?；缺點是慣 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 性濾波環(huán)節(jié)影響了系統(tǒng)的動態(tài)特性。 即：將一個步距角細分成若干個步的驅(qū)動方法。 細分驅(qū) 動的基本思想是在每次輸入脈沖時，不是將相繞組電流全部通入或者切除，而是只改變相應繞組中額定電流的一部分，這樣，電動機的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分，轉(zhuǎn)子的每步運行角度也只有步距角的一部分。 細分驅(qū)動器有效抑制了步進電機低頻運行震蕩，控制精度很高，是步進電機驅(qū)動器的發(fā)展方向 [3]。步進電機細分技術首先由美國學 者 在美國增量運動控制系統(tǒng)及器件年會上提出。目前國內(nèi)外步進電機細分技術的最高微步距細分水平為 ,而隨著科學和工業(yè)技術的發(fā)展，這一細分水平對于目前很多要求 5 以下的微步距來說，仍不能滿足要求。目前獲得細分電流數(shù)據(jù)常用方法有： (1)線性函數(shù)法 各步電流值以成線性函數(shù)關系來確定，優(yōu)點是簡單，但步距角不均勻，容易引起振動和失步，并產(chǎn)生滯后角，限制了細分數(shù)的增加。它是一種基于交流同步電機概念的特殊細分技術，實質(zhì)是 對運行于交流同步狀態(tài) 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 的步進電機所受的交流模擬信號在一個周期內(nèi)細分，當細分數(shù)相當大時，電機繞組的電流信號就逼近模擬連續(xù)信號。 (3)實驗逼近法 用實驗的方法，在某一相通入一定電流而使電機轉(zhuǎn)過一細分角，獲得數(shù)據(jù)，通過多次測試，修正數(shù)據(jù)，得到細分的階梯波。 (4)模型函數(shù)法 結(jié)合上面幾種方法，先通過試驗獲得特定系統(tǒng)的細分波形數(shù)據(jù)，再通過數(shù)學處理找到此系統(tǒng)的細分控制模型函 數(shù)，最后通過此函數(shù)確定細分流。細分控制函數(shù)自動修正法控制精度最高，但需用角編碼器等等組成一定功能的線路，而角編碼器造價很高，對于一般控制系統(tǒng)會使自動修正系統(tǒng)失去應有的意義 [4]。如選用功能強大的32 位嵌入式微處理器來代替 8 位單片機，再把控制器與電源、步進電動機和被控設備集成與一體，將形成嵌入式一體化工業(yè)控制機。在步進電機控制系統(tǒng)中，在工件需做往返運動或需要精確定位等場合，將會使這種嵌入式系統(tǒng)得到廣泛應用。 論文主要研究內(nèi)容 針對以上問題及 步進電動機細分技術的現(xiàn)狀， 本課題 提出了一種 以 4 相混合式步進電機為控制對象，采用集成電路驅(qū)動技術，基于 CORTEXM3 內(nèi)核的 LM3S1138 處理 器 為控制 器 設計出高性能的最大細分數(shù)為 1/16 的步進電機驅(qū)動 系統(tǒng) 。 主要研究內(nèi)容有 : 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 (1) 步進電機工作原理和多種控制方法； (2) 4 相步進電機正弦波驅(qū)動器 STK672080 的細分應用； (3) 步進電動機細分控制系統(tǒng)的軟、硬件設計。 (3) 系統(tǒng)控制部分軟件的設計 按照系統(tǒng)功能的要求，對系統(tǒng)進行合理的分析與規(guī)劃，確定軟件流程、系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)設計、系統(tǒng)各部分功能的軟件實現(xiàn)。每輸入一個電脈沖信號，電 機就轉(zhuǎn)動一個角度，它的運動形式是步進式的，所以稱為步進電動機。 混合式步進電機的結(jié)構(gòu)組成特點 混合式步進電機是一種十分流行的步進電機。結(jié)構(gòu)上，它的定轉(zhuǎn)子上開有很多齒槽，這與反應式步進電動機相似，磁路內(nèi)含有永久磁鋼，這與永磁式步進電動機相似；性能上，既具有反應式步進電機的高分辨率，每轉(zhuǎn)步數(shù)比較多的特點，又具有永磁式步進電機的高效率，繞組電感比較小的特點，故稱混合式 [6]。 混合式步進電機的軸視圖和截面圖如圖 所示 [7]，它主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。極上線圈能以兩個方向通電。環(huán)形永久磁鋼軸向充磁，使得同一段鐵心上的小齒都具有相同極 性，而兩塊不同段鐵心上的齒的極性相反?；旌鲜讲竭M電動機作用在氣隙上的磁動勢有兩個，一個是由永久磁鋼產(chǎn)生的磁動勢，另一個是由控制繞組電流產(chǎn)生的磁動勢。 如圖 所示的是一臺四相混合式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖。從電動 機的某一端看，當定子的一個極上的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒軸線重合時，相鄰極上定轉(zhuǎn)子的齒就錯開 1/4 齒距。定子為四相繞組，驅(qū)動器供給同極性脈沖。當轉(zhuǎn)子上沒有磁鋼或定子繞組不通電時，電動機基本不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，只有在轉(zhuǎn)子磁鋼與定子磁勢相互作用下，才產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。如果 電機的結(jié)構(gòu)完全對稱，各個定子磁極下的氣隙磁動勢將完全相等，電動機無電磁轉(zhuǎn)矩。 四相 (二相 )混合式步進電動機可以在不同的通電方式下運行。如圖 所示的電動機，每相鄰兩個定子磁極之間所夾的齒距數(shù)為 50/8=6+l/4。可以看出，在不同端不同極的作用轉(zhuǎn)矩都是同方向的，都是使轉(zhuǎn) 子回到穩(wěn)定平衡位置的方向。 當定子各相繞組按 ABCDA 的順序通電，每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子沿 ABCD方向轉(zhuǎn)過 1/4 齒距，即 360/(504)=176。和 176。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 ( S )( N )3 39。( S )( S )( S )3( N )( S )5定 子轉(zhuǎn) 子 (a) ( S )( N )3 39。( S )( S ) ( S )3( N )( S )5定 子轉(zhuǎn) 子T T T T (b) 圖 穩(wěn)定平衡位置及偏離時的作用轉(zhuǎn)矩方向 步進電機按外加脈沖的指令通電運行。 (1)單四拍通電方式 每拍只有一相繞組通電，四拍構(gòu)成一個循環(huán)，兩相控制繞組 AB(A)(B)A 的次序輪流通電。若轉(zhuǎn)子齒數(shù)為 50，每轉(zhuǎn)為 200 步。若轉(zhuǎn)子齒數(shù)也為 50，則每轉(zhuǎn)也是 200 步，和單四拍相同，但二者的空間定位不重合。若通電循環(huán)拍數(shù)為八，稱半步通電方式，即按 AABBB(