步進電機的微機控制系統(tǒng)設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上第一章 緒論步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。1. 步進電機的現狀步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉換裝置，在人類的生產和生活進入電氣化

2、過程中起著關鍵的作用?？墒窃谌祟惿鐣M入自動化時代的今天，傳統(tǒng)電動機的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動化等各種運動控制系統(tǒng)的要求。為適應這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動機系統(tǒng)，其中較有自己特點，且應用十分廣泛的一類便是步進電動機。步進電動機的發(fā)展與計算機工業(yè)密切相關。自從步進電動機在計算機外圍設備中取代小型直流電動機以后，使其設備的性能提高，很快地促進了步進電動機的發(fā)展。另一方面，微型計算機和數字控制技術的發(fā)展，又將作為數控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進電動機推廣應用到其他領域，如電加工機床、小功率機械加工機床、測量儀器、光學和醫(yī)療儀器以及包裝機械等。任何一種產品成熟的過程，基本上都是規(guī)格品

3、種逐步統(tǒng)一和簡化的過程?，F在，步進電動機的發(fā)展已歸結為單段式結構的磁阻式、混合式和爪極結構的永磁式三類。爪極電機價格便宜，性能指標不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動機，由于混合式步進電動機具有控制功率小，運行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導地位。最典型的產品是二相8極50齒的電動機，步距角1.80.9（全步半步）； 還有五相10極50齒和一些轉子100齒的二相和五相步進電動機，五相電動機主要用于運行性能較高的場合。到目前，工業(yè)發(fā)達國家的磁阻式步進電動機已極少見。步進電動機最大的生產國是日本，如日本伺服公司、東方公司、SANYO DENKI和MINEBEA及NPM公司等，特別是日本東方公司，無論是

4、電動機性能和外觀質量，還是生產手段，都堪稱是世界上最好的?，F在日本步進電動機年產量（含國外獨資公司）近2億臺。德國也是世界上步進電動機生產大國。德國B.L.公司1994年五相混合式步進電動機專利期滿后，推出了新的三相混合式步進電動機系列，為定子6極轉子50齒結構，配套電流型驅動器，每轉步數為200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步進電動機的分辨率，還可以在此基礎上再10細分，分辨率提高10倍，這是一種很好的方案，充分運用了電流型驅動技術的功能，讓三相電動機同時具有二相和五相電動機的性能。2. 步進電機的特點 步進電動機有如下特點：1.步進電

5、動機的角位移與輸入脈沖數成正比，因此，當它轉一轉后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。2.由步進電動機與驅動電路組成的開環(huán)數控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非?？煽?。同時，她也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數控系統(tǒng)。3.步進電動機的動態(tài)響應快，易與起停、正反轉及變速。4.速度可在相當寬的范圍內平滑調節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅動負載。5.步進電動機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。6.步進電動機存在振蕩和失步現象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應的措施。7.步進電動機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負載的能力較差。隨著科學技術的進步，步

6、進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解能、高響應性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。在生產過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用得最多。3. 步進電機的發(fā)展趨勢一.是繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動機本身應用領域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小，在57、42機座號的電動機應用了多年后，現在其機座號向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近還研制出外徑僅10mm的步進電動機。二. 是改圓形電動機為方形電動機。由于電動機采用方型結構

7、，使得轉子有可能設計得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高。同樣機座號的電動機，方形的力矩比圓形的將提高3040。三. 對電動機進行綜合設計。即把轉子位置傳感器，減速齒輪等和電動機本體綜合設計在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。四. 向五相和三相電動機方向發(fā)展。目前廣泛應用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機而言，五相電動機的驅動電路比三相電動機復雜，因此三相電動機系統(tǒng)的性能價格比要比五相電動機更好一些。4. 本論文的主要工作實現單片機對步進電機進行控制。單片機發(fā)出脈沖信號控制步進電機的啟動停止及單三拍雙三拍運行

8、。通過編程，單片機能夠實現對步進電機正反兩個方向運行的控制。 雖然，步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 第二章 步進電動機的相關知識2.1步進電動機的分類和結構1. 步進電動機的分類步進電動機可分為3大類。（1）反應式步進電動機（variable reluctance,簡稱 VR） 反應式步進電動機的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有繞組。它的結構簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。（2）永磁式步進電動

9、機（permanent magnet,簡稱 PM） 永磁式步進電動機的的轉子是用永磁材料制成的，轉子本身就是一個磁源。它的輸出轉距大，動態(tài)性能好。轉子的極數與定子的極數相同，所以步距角一般較大。需供給正負脈沖信號。（3）混合式步進電動機（hybrid,簡稱 HB） 混合式步進電動機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點，它的輸出轉距大，動態(tài)性能好，步距角小，但結構復雜，成本較高。 由于反應式步進電動機的性能價格比比較高，因此這種步進電動機應用的非常廣泛，在單片機系統(tǒng)中尤其大量使用。2. 反應式步進電動機的結構 圖2-1是一個三相反應式步進電動機結構圖。從圖中可以看出，它分成轉子和定子兩部分。定子是由硅

10、鋼片疊成的。定子上有6個磁極（大極），每2個相對的磁極（N，S極）組成一對，共有3對。每對磁極都纏有同一繞組，也即形成一相，這樣3對磁極有3個繞組，形成三相。每個磁極的內表面都分布著多個小齒，它們大小相同，間距相同。 轉子是由軟磁材料制成的，其外表面也均勻分布著小齒，這些小齒與定子磁極上的小齒的齒距相同，形狀相似。 由于小齒的齒距相同，所以不管是定子還是轉子，它們的齒距角都可以由下式來計算：Z=2/Z （21）式中Z轉子的齒數。 例如，如果轉子的齒數為40，則齒距角為Z=2/40=9 反應式步進電動機運動的動力來自于電磁力。在電磁力的作用下，轉子被強行推動到最大磁導率（或者最小磁阻）的位置（如

11、圖2-2（a）所示，定子小齒與轉子小齒對齊的位置），并處于平衡狀態(tài)。對三相步進電動機來說，當某一相的磁極處于最大磁導位置時，另外兩相必須處于非最大磁導位置（如圖2-2（b）所示，定子小齒與轉子小齒不對齊的位置）。 圖21 三相反應式步進電動機結構 圖22 定子齒與轉子齒間磁導現象我們把定子小齒與轉子小齒對齊的狀態(tài)稱為對齒；把定子小齒與轉子小齒不對齊的狀態(tài)稱為錯齒。錯齒的存在是步進電動機能夠旋轉的前提條件，所以，在步進電動機的結構中必須保證有錯齒存在，也就是說，當某一相處于對齒狀態(tài)時，其他相必須處于錯齒狀態(tài)。 我們繼續(xù)上例。如果轉子有40個齒，則轉子的齒距角為9，因為定子的齒距角與轉子相同，定子

12、的齒距角也是9。所不同的是，轉子的齒是圓周分布的，而定子的齒只分布在磁極上，屬于不完全齒。當某一相處于對齒狀態(tài)時，該相磁極上定子的所有小齒都與轉子上的小齒對齊。 三相步進電動機的每一組磁極在空間上相差120。假如當前A相處于對齒狀態(tài)，以A相位置作為參考點，B相與A相相差120，C相與A相相差240。下面我們可以計算當A相處于對齒狀態(tài)時，B、C兩相的錯齒程度。 圖23 A相對齒時B、C相的錯齒將A相磁極中心線看成0，在0處的轉子齒為0號齒，則在120處的B相磁極中心線上對應的轉子齒號為120/9=13.3，即B相磁極中心線處于轉子第13號齒再過1/3齒距角的地方，如圖2-3所示。這說明了B相錯了

13、1/3個齒距角，也即錯齒3。 同理，與A相相差240的C相磁極中心線上對應的齒號為240/9=26.6，即C相磁極中心線處于轉子第26號齒再過2/3齒距角的地方，如圖2-3所示。這說明C相錯齒6。2.2 反應式步進電動機的工作原理1. 反應式步進電動機的步進原理 如果給處于錯齒狀態(tài)的相通電，則轉子在電磁力的作用下，將向磁導率最大（或磁阻最?。┑奈恢棉D動，即向趨于對齒的狀態(tài)轉動。步進電動機就是基于這一原理轉動的。 圖24 步進電動機的步進原理步進電動機的過程也可通過圖2-4進一步說明。當開關K合上時，A相繞組通電，使A相磁場建立。A相定子磁極上的齒與轉子的齒形成對齒，同時，B相，C相上的齒與轉子

14、形成錯齒。將A相斷電，同時將K合上，使處于錯1/3個齒距角的B相通電，并建立磁場。轉子在電磁力的作用下，向與B相成對齒的位置轉動。其結果是：轉子轉動了1/3個齒距角；B相與轉子形成對齒；C相與轉子錯1/3個齒距角；A相與轉子錯2/3個齒距角。 相似地，在B相斷電的同時，合開關K給C相通電建立磁場，轉子又轉動了1/3個齒距角，與C相形成對齒，并且A相與轉子錯1/3個齒距角，B相與轉子錯2/3個齒距角。 當C相斷電，再給A相通電時，轉子又轉動了1/3個齒距角，與A相形成對齒，與B，C兩相形成錯齒。至此，所有的狀態(tài)與最初時一樣，只不過轉子累計轉過了一個齒距。 可見，由于按ABCA順序輪流給各相繞組通

15、電，磁場按ABC方向轉過了360，轉子則沿相同方向轉過一個齒距角。 同樣，如果改變通電順序，即按與上面相反的方向（ACBA的順序）通電，則轉子的轉向也改變。 如果對繞組通電一次的操作稱為一拍，那么前面所述的三相反應式步進電動機的三相輪流通電就需要三拍。轉子每拍走一步，轉一個齒距角需要3步。 轉子走一步所轉過的角度稱為步距角N ，可用下式計算N=Z/N=2/NZ （22）式中 N步進電動機工作拍數。 例如，對于轉子有40個齒的三相步進電動機來說，轉過一個齒距角相當于轉過9，共用了3步，每換相一次走一步，這樣每步走了3，步距角為3。 從以上分析可知，反應式步進電動機對結構的要求是： 定子繞組磁極的

16、分度角（如三相的120和240）不能被齒距角整除，否則無法形成錯齒； 定子繞組磁極的分度角被齒距角除后所得的余數，應是步距角的倍數，而且倍數值與相數不能有公因子，否則無法形成對齒。2. 單三拍工作方式 三相步進電動機如果按ABCA方式循環(huán)通電工作，就稱這種工作方式為單三拍工作方式。其中“單”指的是每次對一個相通電；“三拍”指的是磁場旋轉一周需要換相3次，這時轉子轉動一個齒距角。如果對多相步進電動機來說，每次只對一相通電，要使磁場旋轉一周就需要多拍。 以單三相工作方式工作的步進電動機，其步距角按式（2-2）計算。 在用單三拍方式工作時，各相通電的波形如圖2-5所示。其中電壓波形是方波，而電流波形

17、則是由兩段指數曲線組成。這是因為受步進電動機繞組電感的影響，當繞組通電時，電感阻止電流的快速變化；當繞組斷電時，儲存在繞組中的電能通過續(xù)流二極管放電。電流的上升時間取決于回路中的時間常數。我們希望繞組中的電流也能像電壓一樣突變，這一點與其他電動機不同，因為這樣會使繞組在通電時能迅速建立磁場，斷電時不會干擾其他相磁場。為了達到這一目的可以有許多方法。在續(xù)流二極管回路中串聯一個電阻是其中一種有效的方法。它可以在繞組斷電時，通過續(xù)流二極管將儲存在繞組中的電能消耗在電阻上，表現為電流波形下降的速度加快，下降時間減小。3. 雙三拍工作方式 三相步進電動機的各相除了采用單三拍方式通電工作外，還可以有其他通

18、電方式。雙三拍是其中之一。圖25 單三拍工作方式時的相電壓、電流波形 雙三相的工作方式是：每次對兩相同時通電，即所謂“雙”；磁場旋轉一周需要換相3次，即所謂“三拍”，轉子轉動一個齒距角，這與單三拍是一樣的。在雙三拍工作方式中，步進電動機正轉的通電的順序為：ABBCCA；反轉的通電順序為：BAACCB。 因為在雙三拍工作方式中，轉子轉動一個齒距角需要的拍數也是“三拍”，所以。它的步距角與單三拍時一樣，仍然用式（2-2）求得。 在用雙三拍方式工作時，各相通電的波形如圖2-6所示。由圖可見，每一拍中，都有兩相通電，每一相通電時時間都持續(xù)兩拍。所以，雙三拍通電的時間長，消耗的電功率大，當然，獲得的電磁

19、轉距也大。 圖26 雙三拍工作方式時的相電壓、電流波形雙三拍工作時，所產生的磁場形狀與單三拍時不一樣，如圖2-7所示。 圖27 雙三拍工作時的磁場情況B 圖28 雙三拍時轉子的穩(wěn)定平衡位置與單三拍另一個不用之處是：雙三拍工作時的磁導率最大位置并不是轉子處于對齒的位置。 當AB兩相通電時，最大磁導率的位置是轉子齒與A，B兩相磁極的齒分別錯 1/6個齒矩角的位置，此時轉子齒與C相錯1/2個齒距角，如圖2-8（a）所示。也就是說，在最大磁導率位置時，沒有對齒存在。在這個位置，A和B（或A和B）兩個磁極所產生的磁場，使定子與轉子相互作用的電磁轉距大小相等，方向相反，使轉子處于平衡狀態(tài)。同樣，當BC兩相

20、通電時，平衡位置是轉子齒與B，C兩相磁極的齒分別錯 1/6個齒矩角的位置，如圖2-8（b）所示；當CA兩相通電時，平衡位置是轉子齒與C，A兩相磁極的齒分別錯 1/6個齒距角的位置，如圖2-8（c）所示。雙三拍方式還有一個優(yōu)點，這就是不易產生失步。這是因為當兩相通電后，由圖2-6和圖2-8可見，兩相繞組中的電流幅值不同，產生的電磁力作用方向不同。所以，其中一相產生的電磁力起了阻尼作用。繞組中電流越大，阻尼作用就越大。這有利于步進電動機在低頻區(qū)的工作。而單三拍由于是單相通電勵磁，不會產生阻尼作用，因此當工作在低頻區(qū)時，由于通電時間長而使能量過大，易產生失步現象。2.3步進電動機的特性1. 步進電動

21、機的振蕩，失步及解決方法 步進電動機的振蕩和失步是一種普遍存在的現象，它影響應用系統(tǒng)的正常運行，因此要盡力避免。下面對振蕩和失步的原因進行分析，并給出解決方法。 1.振蕩 步進電動機的振蕩現象主要發(fā)生于：步進電動機工作在低頻區(qū)；步進電動機工作在共振區(qū)；步進電動機突然停車時。 當步進電動機工作在低頻區(qū)時，由于勵磁脈沖間隔的時間較長，步進電動機表現為單步運行。當勵磁開始時，轉子在電磁力的作用下加速轉動。在到達平衡點時，電磁驅動轉矩為零，但轉子的轉速最大，由于慣性，轉子沖過平衡點。這時電磁力產生負轉矩，轉子在負轉矩的作用下，轉速逐漸為零，并開始反向轉動。當轉子反轉過平衡點后，電磁力又產生正轉矩，迫使

22、轉子又正向轉動。如此下去，形成轉子圍繞平衡點的振蕩。由于有機械摩擦和電磁阻尼的作用，這個振蕩表現為衰減振蕩，最終穩(wěn)定在平衡點。 當步進電動機工作在共振區(qū)時，步進電動機的脈沖頻率接近步進電動機的振蕩頻率0或振蕩頻率的分頻或倍頻，這會使振蕩加劇，嚴重時造成失步。 振蕩失步的過程可描述如下：在第1個脈沖到來后，轉子經歷了一次振蕩。當轉子回擺到最大幅值時，恰好第2個脈沖到來，轉子受到的電磁轉矩為負值，使轉子繼續(xù)回擺。接著第3個脈沖到來，轉子受正電磁轉矩的作用回到平衡點。這樣，轉子經過3個脈沖仍然回到原來位置，也就是丟了3步。 當步進電動機工作在高頻區(qū)時，由于換相周期短，轉子來不及反沖。同時，繞組中的電

23、流尚未上升到穩(wěn)定值，轉子沒有獲得足夠的能量，所以在這個工作區(qū)中不會產生振蕩。 減小步距角可以減小振蕩幅值，以達到削弱振蕩的目的。 2.失步 步進電動機的失步原因有2種。 第1種是轉子的轉速慢于旋轉磁場的速度，或者說慢于換相速度。例如，步進電動機在啟動時，如果脈沖的頻率較高，由于電動機來不及獲得足夠的能量，使其無法令轉子跟上旋轉磁場的速度，所以引起失步。因此，步進電動機有一個啟動頻率，超過啟動頻率啟動時，肯定會產生失步。注意，啟動頻率不是一個固定值，提高電動機的轉矩，減小負載轉動慣量，減小步距角都可以提高步進電動機的啟動頻率。 第2種是轉子的平均速度大于旋轉磁場的速度。這主要發(fā)生在制動和突然換向

24、時，轉子獲得過多的能量，產生嚴重的過沖，引起失步。 3. 阻尼方法 消除振蕩是通過增加阻尼的方法來實現的，主要有機械阻尼法和電子阻尼法兩大類。其中機械阻尼法比較單一，就是在電動機軸上加阻尼器。電子阻尼法則有多種。多相勵磁法 前面介紹過，采用多相勵磁會產生電磁阻尼，會削弱或消除振蕩現象。例如，三相步進電動機的雙三拍和六拍方式。變頻勵磁法 步進電動機在高頻和在低頻時轉子所獲得的能量不一樣。在低頻時，繞組中的電流上升時間長，轉子獲得的能量大，因此容易產生振蕩；在高頻時則相反。所以，可以設計一種電路，使電壓隨頻率的降低而減小，這樣使繞組在低頻時的電流減小，可以有效地消除振蕩。細分步法 細分步法是將步進

25、電動機繞組中的穩(wěn)定電流分成若干階段，每進一步時，電流升一級，同時，也相對地提高步進頻率，使步進過程平穩(wěn)進行。反相阻尼法 這種方法用于步進電動機制動。在步進電動機轉子要過平衡點之前，加一個反向作用力去平衡慣性力，使轉子到達平衡點時速度為零，實現準確制動。例如，三相步進電動機工作在單三拍，目前正處于B拍，并希望它停在C拍，則控制換相為BCBC。第2個B拍就是起平衡慣性力作用的，而不是讓電動機走一步。2. 步進電動機的矩角特性 把轉子處于平衡點的位置稱為零位。在勵磁狀態(tài)不變的情況下，如果讓轉子離開零位，轉子偏離零位線的夾角稱為失調角e 。失調角e 是在齒矩角Z范圍內變化的，為了表示方便，將齒矩角的范

26、圍看成2，失調角就用相對于2來表示。例如，e=1/4Z，則可表示為e=/2 或e=-/2。 由于轉子偏離零位，也就是有失調角產生，因此就有電磁轉矩。電磁轉矩的大小與失調角 的大小有關，它們之間的關系就稱為步進電動機的矩角特性。下面我們來分析電磁轉矩沿失調角的分布。1. 單相通電時 當失調角e=0時，轉子位于零位，定子齒與轉子齒之間雖然有電磁力存在，但電磁力在轉子的切線方向上沒有分力，所以轉子不轉動，如圖2-10（a）所示。 如果轉子偏離零位，就有失調角存在，電磁力在轉子的切線方向就產生分力，因而形成轉矩。隨著失調角的增加（順時針為正），產生的轉距增大。當e= /2時，轉矩最大。轉矩的方向是逆時

27、針的，如圖2-10（b）所示，所以是負轉矩。 當e=時，轉子轉到兩個定子齒之間，轉子齒受到兩個定子齒的電磁力，在切線方向上受的分力保持平衡，如圖2-10（c）所示，所以轉子受的轉矩為0。 當e時，轉子轉到下一個定子齒附近，受該定子齒的作用，產生正轉矩，如圖2-10（d）所示。當e=2時，轉子轉到新的零位，受的轉矩為0。再轉下去，就進入下一個循環(huán)。 圖210 電磁轉矩隨失調角的變化根據步進電動機的轉矩隨失調角的這種變化規(guī)律，可用曲線來表示，其曲線形狀近似正弦曲線，如圖2-11所示。其中Tmax是最大轉距，它表示了步進電動機承受負載的能力，它是步進電動機最主要的性能指標之一。 圖211 步進電機的

28、矩角特性2. 多相通電時 根據疊加原理，多相通電時的距角特性可近似地由每相單獨通電時的矩角特性疊加求出。以三相步進電動機雙三拍方式為例，A，B兩相單獨通電時的矩角特性如圖2-12所示，兩條曲線相位差120，最大轉矩分別為 TA、TB。A，B兩相的矩角特性曲線疊加，就可以得到AB同時通電時的矩角特性曲線，其最大轉矩為 TAB。由圖2-12可見，對于三相步進電動機來說，兩相通電時的最大轉矩與單相通電時的最大轉矩相同，也就是說，三相步進電動機不能靠增加通電相數來提高最大轉矩。圖2-12 三相步進電機單相、雙向通電時的矩角特性3. 單步運行與最大負載能力 步進電動機的矩角特性告訴我們，轉矩是隨失調角而

29、變化的，它不是一個固定值。那么，這樣變化的轉矩是怎樣驅動負載的呢？下面我們來進行分析。 圖2-13是三相步進電動機單三拍方式時運行的矩角特性。曲線A是A相通電時轉矩的變化曲線。如果此時送入一個控制脈沖，切換為B相繞組通電，轉子就轉過一個步距角N （1/3個齒距角，相當于失調角120的量），轉矩的變化規(guī)律為曲線B。很明顯，步進運行所能提供連續(xù)的最大驅動負載轉矩為A，B兩條曲線的交點縱坐標，即Tq。只有當負載轉矩TLTq時，步進電動機才能帶動負載作步進運動。因此,Tq被稱為最大負載轉矩或啟動轉矩。 圖213 三相步進電機單三拍運行時的矩角特性顯然，步距角 越小，A，B兩條曲線的交點越上移，也就是T

30、q越接近Tmax，步進電動機帶負載能力越大。所以，減小步距角有利于提高步進電動機的帶負載能力。3. 步進電動機的矩頻特性 步進電動機的輸出轉矩與控制脈沖頻率之間的關系稱為矩頻特性。圖1-14是矩頻特性曲線的一個例子。由圖可見，步進電動機的矩頻特性曲線是一條下降曲線。它以最大負載轉矩（啟動轉矩）Tq作為起點，隨著控制脈沖頻率逐漸增加，步 圖214 步進電動機的矩頻特性進電動機的轉速逐步升高，而步進電動機的帶負載能力卻逐步下降。 圖215 步進電動機的驅動電路步進電動機的輸出轉矩隨頻率升高而下降的原因可以這樣解釋：由于有繞組電感的影響，繞組中電流的波形如圖2-5所示，電流的上升需要一定時間。以圖2

31、-15的驅動電路為例，電流上升時驅動電路的時間常數a為 a=L/Ra （24）式中 L繞組的電感 Ra通電回路的總電阻，包括繞組線圈電阻，限流電阻 R1和晶體管電阻。 電流下降時放電回路的時間常數 b 為 b=L/Rb (25)式中Rb放電回路的總電阻，包括繞組線圈電阻，耗能電阻R2和續(xù)流二極管結電阻。 由于時間常數的存在，繞組中的電流上升和下降都需要一定的時間。當脈沖頻率較低時，繞組中通電的周期較長，電流的平均值較大，電動機獲得的能量較高，因此能維持較高的轉矩；當脈沖頻率較高時，繞組中通電的周期較短，電流的平均值較小，電動機獲得的能量較少，因此轉矩下降。 另外，隨著頻率上升，轉子轉速升高，在

32、定子繞組中產生的附加旋轉電勢使電動機受到更大的阻尼轉矩，鐵芯的渦損也增加。這些都是使步進電動機輸出轉矩下降的因素。 矩頻特性曲線上的凹陷可看成是步進電動機的共振區(qū)。由于共振消耗一定的能量，使轉矩下降。 為了提高矩頻特性的高頻性能，可用如下方法： 減小時間常數 由式（2-4）可以看出，增加電阻 Ra可以減小時間常數；但增加 Ra會使通電回路中電流值減小，所以，為了保證通電回路中的電流不變，在增加電阻Ra的同時，還要提高電源電壓。 改進工作方式 采用多相勵磁的工作方式，例如，三相步進電動機的雙三拍。由圖2-6和圖2-9可見，多相勵磁工作方式使每一相通電的時間延長了，電動機就能獲得較多的能量，使高頻

33、時輸出的轉矩增加。2.4 步進電動機的驅動通過前面的原理介紹，我們知道了步進電動機使用脈沖電源工作。脈沖電源的獲得可通過2-15來說明。開關管T是按照控制脈沖的規(guī)律“開”和“關”，使直流電源以脈沖方式向繞組L供電。這一過程我們稱它為步進電動機的驅動。 步進電動機的驅動方式有多種，我們可以根據實際需要來選用。下面就逐個介紹它們的工作原理。1. 單電壓驅動 單電壓驅動是指電動機繞組在工作時，只用一個電壓電源對繞組供電。它的特點是電路最簡單。 圖1-15就是一個例子，它只有一個電源V。電路中的限流電阻 決定了時間常數，但 太大會使繞組供電電流減小。這一矛盾不能解決時，會使電動機的高頻性能下降。可在R

34、1兩端并聯一個電容，以使電流的上升波形變陡，來改善高頻特性，但這樣做又使低頻性能變差。 R1在工作中要消耗一定的能量，所以這個電路損耗大，效率低。一般只用于小功率步進電動機的驅動。2. 雙電壓驅動 用提高電壓的方法使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產生了雙電壓驅動。雙電壓驅動有兩種方式：雙電壓法和高低壓法。 1. 雙電壓法 雙電壓法的基本思路是：在低頻段使用較低的電壓驅動，在高頻段使用較高的電壓驅動。其電路原理如圖2-16所示。 當電動機工作在低頻時，給T1低電平，使T1關斷。這時電動機的繞組由低電壓VL供電，控制脈沖通過T2使繞組得到低壓脈沖電源。當電動機工作在高頻時，給T1高電平，使T1打

35、開。這是二極管D2反向截圖216 雙電壓驅動原理圖止，切斷低電壓電源VL ，電動機繞組由高電壓VH 供電，控制脈沖通過T2 使繞組得到高壓脈沖電源。 這種驅動方法保證了低頻段仍然具有單電壓驅動的特點，在高頻段具有良好的高頻性能，但仍沒擺脫單電壓驅動的弱點，在限流電阻R上仍然會產生損耗和發(fā)熱。 2. 高低壓法 高低壓法的基本思路是：不論電動機工作的頻率如何，在繞組通電的開始用高壓供電，使繞組中電流迅速上升，而后用低壓來維持繞組中的電流。 高低壓驅動電路的原理圖如圖2-17所示。盡管看起來與雙電壓法電路非常相似，但它們的原理有很大的差別。 圖217 高低壓驅動原理圖高壓開關管T1的輸入脈沖UH與低

36、壓開關管T2的輸入脈沖UL同時起步，但脈寬要窄的多。兩個脈沖同時使開關管T1、T2導通，使高電壓VH為電動機繞組供電。這使得繞組中電流i快速上升，電流波形的前沿很陡，如圖2-17所示電流波形。當脈沖UH 降為低電平時，高壓開關管T1截止，高電壓被切斷，低電壓VL通過二極管D2為繞組繼續(xù)供電。由于繞組電阻小，回路中又沒串聯電阻，所以低電壓只需數伏就可以為繞組提供較大電流。 在低頻工作時，由于繞組通電周期長，容易產生能量過剩。因此，在設計中，可通過計算平均電流的方法，來選擇低電壓值。 在高頻工作時，由于繞組通電周期短，可能出現UH 與UL 脈寬相同。因此，在設計中，要保證在最高工作頻率工作時，UH

37、 的脈寬不要大于UL的脈寬。 步進電動機與其他電動機不同，它所標稱的額定電壓和額定電流只是參考值；又因為步進電動機以脈沖方式供電，電源電壓是其最高電壓，而不是平均電壓，所以，步進電動機可以超出其額定值范圍工作。這就是為什么步進電動機可以采用高低壓工作的原因。一般高壓選擇范圍是80-150V，低壓選擇范圍是5-20V。選擇時注意不要偏離步進電動機的額定值太遠。 高低壓驅動法是目前普遍應用的一種方法。由于這種驅動在低頻時電流有較大的上沖，電動機低頻噪聲較大，低頻共振現象存在，使用時要注意。3. 斬波驅動 高低壓驅動時，電流波形在高壓與低壓交接處有一個凹陷（如圖2-17所示），這會引起輸出轉矩出現下

38、降。另外，雙電壓也會增加設備的成本。斬波驅動會很好地解決這些問題。圖2-18（a）是斬波恒流驅動的原理圖。T1 是一個高頻開關管。T2 開關管的發(fā)射極接一只小電阻R，電動機繞組的電流經這個電阻到地，所以這個電阻是電流取樣電阻。比較器的一端接給定電壓Uc ，另一端接取樣電阻上的壓降，當取樣電壓為0時，比較器輸出高電平。 當控制脈沖Ui 為低電平時，T1 和T2 兩個開關管均截止；當Ui 為高電平時，T1 和T2 兩個開關管均導通，電源向繞組供電。由于繞組電感的作用，R上的電壓逐漸升高，當超過給定電壓Uc 的值時，比較器輸出低電平，使與門輸出低電平，T1 截止，電源被切斷；當取樣電阻上的電壓小于給

39、定電壓時，比較器輸出高電平，與門也輸出高電平，T1又導 （a）電路原理圖 （b）波形圖圖218 斬波恒流驅動原理圖通，電源又開始向繞組供電。這樣反復循環(huán)，直到Ui 為低電平。 以上的驅動過程表現為：T2 每導通一次，T1 導通多次，繞組的電流波形為鋸齒形，如圖2-18（b）所示。 在 T2導通的時間里，電源是脈沖式供電（見Ua 波形），所以提高了電源效率，并且能有效地抑制共振。由于無需外接影響時間常數的限流電阻，所以提高了高頻性能；但是，由于電流波形為鋸齒形，將會產生較大的電磁噪聲。4. 細分驅動 進電動機各組繞組的電流是按照工作方式的節(jié)拍輪流通電的。繞組通電的過程非常簡單，即通電斷電反復進行

40、?，F在我們設想將這一過程復雜化一些，例如，每次通電時電流的幅值并不是一次升到位，而是分成階段，逐個階級地上升；同樣，每次斷電時電流也不是一次降到0，而是逐個階級地下降。如果這樣做會發(fā)生什么現象？ 我們都知道，電磁力的大小與繞組通電電流的大小有關。當通電相的電流并不是馬上升到位，而斷電相的電流并不立即降為0時，它們所產生 的磁場合力，會使轉子有一個新的平衡位置，這個新的平衡位置是在原來的步距角范圍內。也就是說，如果繞組中電流的波形不再是一個近似方波，而是一個分成N個階級的近似階梯波，則電流每升或降一個階級時，轉子轉動一小步。當轉子按照這樣的規(guī)律轉過N個小步時，實際上相當于它轉過一個步距角。這種將

41、一個步距角細分成若干小步的驅動方法，就稱為細分驅動。 細分驅動使實際步距角更小了，可以大大地提高對執(zhí)行機構的控制精度。同時，也可以減小或消除振蕩，噪聲和轉矩波動。目前，采用細分技術已經可以將原步距角分成數百份。 實際細分的驅動電路可分成兩類：一類是采用線性模擬功率放大的方法獲得階梯形電流，這種方法電路簡單，但功率管功耗大，效率低；另一類的用單片機采用數字脈寬調制的方法獲得階梯形電流，這種需要復雜的計算來使細分后的步距角均勻一致。下面我們介紹一種屬于脈寬調制法的驅動電路恒頻脈寬調制細分電路，它不需要復雜的計算，是目前比較流行的方法。 恒頻脈寬調制細分驅動控制實際上是在斬波恒流驅動的基礎上的進一步

42、改進。在斬波恒流驅動電路中，繞組中電流的大小取決于比較器的給定電壓，在工作中這個給定電壓是一個定植。現在，用一個階梯電壓來代替這個給定電壓，就可以得到階梯形電流。恒頻脈寬調制細分驅動電路如圖2-19（a）所示。單片機是控制主體。它通過定時器TO輸出20kHz的方波，送D觸發(fā)器，作為恒頻信號。同時，輸出階梯電壓的數字信號到D/A轉換器，作為控制信號，它的階梯電壓的每一次變化，都使轉子走一細分步。 恒頻脈寬調制細分電路工作原理如下：當D/A轉換器輸出的Ua不變時，恒頻信號CLK的上升沿使D觸發(fā)器輸出Ub高電平，使開關管T1，T2導通，繞組中的電流上升，取樣電阻R2上壓降增加。當這個壓降大于Ua時，

43、比較器輸出低電平，使D觸發(fā)器輸出Ub低電平，T1，T2截止，繞組的電流下降。這使得R2上的壓降小于Ua，比較器輸出高電平，使D觸發(fā)器輸出高電平，T1，T2導通，繞組中的電流重新上升。這樣的過程反復 (a)電路圖 （b）波形圖 圖219 恒頻脈寬細分電路及波形進行，使繞組電流的波頂鋸齒形。因為CLK的頻率較高，鋸齒形波紋會很小。 當Ua上升突變時，取樣電阻上的壓降小于Ua，電流有較長的上升時間，電流幅值大幅增長，上升了一個階級，如圖2-19（b）所示。 同樣，當Ua下降突變時，取樣電阻上的壓降有較長時間大于Ua，比較器輸出低電平，CLK的上升沿即使使D觸發(fā)器輸出1也馬上被清0。電源始終被切斷，使

44、電流幅值大幅下降，降到新的階級為止。 以上過程重復進行。Ua的每一次突變，就會使轉子轉過一個細分步。第三章 步進電機的單片機控制步進電動機的驅動電路根據控制信號工作，在步進電機的單片機控制中，控制信號由單片機產生。其基本控制作用如下：（1） 控制換相順序步進電動機的通電換相順序嚴格按照步進電動機的工作方式進行。通常我們把通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如，三相步進電動機的單三拍工作方式，其各相通電順序為ABC，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A，B，C相的通電和斷電。脈沖分配的方法大體上可分為兩種：軟件法和硬件法。由于軟件法在電動機運行過程中，要不停地產生控制脈沖，占用了大量的CPU時

45、間，可能使單片機無法同時進行其它工作（如監(jiān)測等），所以，在本系統(tǒng)中我們采用硬件法，即使用脈沖分配器芯片PMM8713。（2） 控制步進電動機的轉向通過前面介紹的步進電動機原理我們知道，如果按給定的工作方式正序通電換相，步進電動機就正轉，如果按反序通電換相，則電動機就反轉。例如，三相步進電動機工作在單三拍方式，通電換相的正序是ABC，電動機就正轉；如果按反序ACB，電動機就反轉。這一任務仍用PMM8713脈沖分配器芯片承擔。（3） 控制步進電動機的速度步進電機的速度控制通過控制單片機發(fā)出的步進脈沖頻率來實現。如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它就會再轉一步。兩個脈沖的間隔時

46、間越短，步進電動機就轉的越快。因此，脈沖的頻率決定了步進電動機的轉速。調整單片機發(fā)出的脈沖的頻率，就可以對步進電動機進行調速。根據調速原理，控制步進電動機的速度方法可有兩種。第一種是通過軟件延時的方法，改變延時時間長度就可以改變輸出脈沖的頻率；但這種方法使CPU長時間等待，占用大量機時，沒有實用價值。第二種是通過定時器中斷的方法。在中斷服務子程序中進行脈沖輸出操作，調整定時器的定時時間常數就可以實現調速。這占用的CPU較少，在各種單片機中都能實現，是一種比較實用的方法。本系統(tǒng)采用第二種方法，為了產生所需的步進脈沖，要根據給定的脈沖頻率和單片機的機器周期來計算定時常數。當定時時間到而使定時器產生

47、溢出時發(fā)生中斷，在中斷子程序中進行改變P1.0電平狀態(tài)的操作，從而得到一個方波輸出。改變定時常數，就可以改變方波的頻率，從而實現調速。這樣單片機只需提供步進脈沖，進行速度和轉向控制，因此，CPU的負擔減輕許多。第四章 系統(tǒng)硬件及軟件設計4.1系統(tǒng)硬件設計單片機控制步進電機系統(tǒng)由單片機、步進電機驅動電源（脈沖分配器和功率驅動）、步進電機等部分組成，其控制框圖如圖41所示。在下圖中由單片機給出脈沖信號，經脈沖分配器產生步進電機工作方式所需的各相脈沖信號，功率驅動電路對脈沖分配回路輸出的弱信號進行放大，產生電機所需的激勵電流。圖41 步進電機的微機控制框圖本控制系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機AT89

48、c51作為處理器。89c51內部有4K的可編程EPROM、128字節(jié)的RAM（其中有16個字節(jié)既可作一般的RAM單元使用，又可對128位進行位操作）、21個特殊功能寄存器、2個16位的定時器或計數器以及一個全雙工串行口，對外有4個端口、32條I/O線，它們都具有位尋址功能，使用及其方便。我們通過89c51的P1.1口輸出信號控制步進電機。 系統(tǒng)所用的步進電機為45BF005-I型三相反應式步進電機，其工作電壓+27V，靜態(tài)電流為2.5A，步距角為1.5。本系統(tǒng)的驅動電源用日本Sanyo（三洋）電機公司生產的PMM8713作為步進電機的脈沖分配器。它適用于控制三相和四相步進電機，有3種激勵方式：

49、1相、2相、以及1-2相。輸入方式可選擇單時鐘（加方向信號）和雙時鐘（正轉或反轉時鐘）方式，它具有正反轉控制、初始化復位、原點監(jiān)視、激勵方式監(jiān)視和輸入脈沖監(jiān)視等功能。使用的電源為418V，相輸出驅動能力為20Ma。PMM8713的原理框圖如圖42所示。此種集成電路內部由時鐘選通、激勵方式控制、可逆環(huán)形計數器等主要部分構成。所有輸入端內部都設有施密特電路，具有很高的抗干擾能力。它采用DIP16封裝，其引腳功能及激勵方式選擇和初始狀態(tài)分別如表41所示 圖42 PMM8713原理框圖 引腳號符號功能說明1Cu輸入脈沖，正轉CW時鐘2CD輸入脈沖，反轉CCW時鐘3Ck輸入時鐘（單時鐘方式使用）4U/D

50、方向轉換，0反轉，1正轉5EA激勵方式控制，當EA、EB為11對應12相，00對應2相，01，10對應1相6EB7c3/4相選擇，03相，14相8Vss地9R復位端1011、2、3、4，4相輸出2、3、4，3相輸出112123134 續(xù)表41： 引腳號符號功能說明14EM激勵監(jiān)視；01相，12相，脈沖表示12相激勵15CD輸入脈沖監(jiān)視；輸出與時鐘同步脈沖16VDD正電源 表41 PMM8713引腳功能說明 運行時，PMM8713作單級性控制。三相步進電機：1-2相激勵6拍運行；1相或2相激勵3拍運行。四相步進電機；1-2相激勵8拍運行；1相或2相激勵4拍運行。由于PMM8713輸出驅動電流只有

51、20mA，因此需要外接功率驅動放大電路。當用微處理器輸出去控制大功率電器時，需要將弱電與強電隔離。這里用光電隔離器進行隔離。 我們選用光電隔離器的型號為TLP5214，功放晶體管的型號為P41C（6A、100V、65W、Ice=3A）。輸出隔離電路的原理圖如圖43所示。圖43 隔離電路原理圖Ui來自脈沖分配器的一個輸出端子，Ui經驅動門以后接到發(fā)光二極管的陰極，+5V電源需要接限流電阻，此電阻一般取值為200、1/4W。當Ui為低電平時，經同相驅動門驅動后依然是低電平，二極管導通，從而使光敏晶體管T1導通，步進電動機的一相繞組得電運轉。當Ui為高電平時，二極管會因為陽極和陰極都為高電平而截止，光敏晶體管T1就會截止，從而使步進電動機的一相繞組失電而停轉。 需要強調指出的是，光電耦合的輸入和輸出部分必須分別采用獨立的電源，如果兩端共用一個電源，則光電耦合的隔離作用就將失去意義。 PMM8713作脈沖分配器驅動步進電機的硬件結構圖如圖45所示。這里只加上單脈沖，用來控制步進電機朝一個方向運行。由PMM8713產生的脈沖經74LS06反向驅動放大后，再經過TLP521-4光電隔離器隔離，最后驅動步進電機的繞組。I1，I2，I3是三相