DZ181單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)微量控制的軟件設(shè)計(jì),dz181,單片機(jī),對(duì)于,步進(jìn),電機(jī),機(jī)電,微量,控制,節(jié)制,軟件設(shè)計(jì) 2006 年電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)——單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)微量控制的軟件設(shè)計(jì)姓名：鐘旭專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：0201 班學(xué)號(hào)：20022140401162006 年電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)——單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)微量控制的軟件設(shè)計(jì)【題目名稱】單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)微量控制的軟件設(shè)計(jì)【提交日期】2006-6-10【著者姓名】鐘旭【所屬專業(yè)】電氣工程及其自動(dòng)化【導(dǎo)師姓名】賈蘭英【學(xué)位級(jí)別】學(xué)士學(xué)位【主題詞 】 步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分，驅(qū)動(dòng)，MCS51，8155，8055【中文摘要】步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不可分割的三大部分。本論文在比較了各種驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上, 采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理、MCS51單片機(jī)作為中心控制單元. 本系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)由單片機(jī) 8155、8051、地址譯碼器74LS138、D/A 轉(zhuǎn)換器等組成。用單片機(jī)控制三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，采用軟件代替脈沖分配器，讓 MCS-51 的 P.0,P.1,P.2 產(chǎn)生具有一定規(guī)律的脈沖序列，分別完成正，反向不同速度的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)可以完成角度的旋轉(zhuǎn)。論文對(duì)各部分電路的工作原理及調(diào)試結(jié)果作了詳細(xì)討論。從調(diào)試結(jié)果可以看出,電機(jī)分別完成正，反向不同速度的旋轉(zhuǎn)，電路工作穩(wěn)定,基本達(dá)到了預(yù)期目的,是一種可行的驅(qū)動(dòng)方案。引言動(dòng)控制系統(tǒng)中數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展與成熟，步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化控制中得到廣泛的應(yīng)用。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)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”) ，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；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。步進(jìn)電機(jī)具有快速啟動(dòng)能力，只要電機(jī)的負(fù)荷不超過它所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，就能通過輸入脈沖來控制它在一瞬間啟動(dòng)和停止，步進(jìn)電機(jī)的步距角和轉(zhuǎn)速只和輸入的脈沖頻率有關(guān)，和環(huán)境溫度，氣壓，沖擊以及振動(dòng)無關(guān)，也不受電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，它每轉(zhuǎn)一周都有固定的參數(shù)。步進(jìn)精確和步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為 100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。如，工業(yè)過程控制，自動(dòng)化儀表，簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床，繪圖儀，打印機(jī)等設(shè)備。由于工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在自動(dòng)化控制、精密機(jī)械加工、航空航天技術(shù)以及所有要求高精度定位、自動(dòng)記錄、自動(dòng)瞄準(zhǔn)等高新技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分要求也越來越高一． 步進(jìn)電機(jī)的工作原理。1.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)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”) ，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；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。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為 100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。2.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。a.永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 7.5 度 或 15 度；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 1.5 度，但噪聲和振動(dòng)都很大。b.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。c.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)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 1.8 度而五相步進(jìn)角一般為 0.72 度感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)工作原理 a.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理 由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡(jiǎn)單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。1)結(jié)構(gòu)：電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，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。0、1/3 て、2/3 て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示） ，即A 與齒 1 相對(duì)齊，B 與齒 2 向右錯(cuò)開 1/3 て，C 與齒 3 向右錯(cuò)開 2/3 て，A'與齒 5 相對(duì)齊， （A'就是 A，齒 5 就是齒 1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：2)、旋轉(zhuǎn)：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 B 相通電，A，C 相不通電時(shí)，齒 2 應(yīng)與 B 對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過 1/3 て，此時(shí)齒 3 與 C 偏移為 1/3 て，齒 4 與 A 偏移（て-1/3 て）=2/3 て。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 1/3 て，此時(shí)齒 4 與 A 偏移為1/3 て對(duì)齊。如 A 相通電，B，C 相不通電，齒 4 與 A 對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3 て這樣經(jīng)過 A、B、C、A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 A 相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷地按 A，B，C ，A ……通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3 て,向右旋轉(zhuǎn)。如按 A，C ，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。不過，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用 A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步 1/3 て改變?yōu)?1/6 て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3 て變?yōu)?1/12 て，1/24 て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。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。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。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。 3)、力矩：電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量 Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度產(chǎn)生力 F與（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量 Ф=Br*S Br 為磁密，S 為導(dǎo)磁面積， F 與 L*D*Br 成正比 L 為鐵芯有效長(zhǎng)度，D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N·I/R N·I 為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R 為磁阻。力矩=力*半徑力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。b.感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī) 1)、特點(diǎn)： 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如：四相，八相運(yùn)行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式 .不難發(fā)現(xiàn)其條件為 C=,D=. 一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時(shí)，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。 2)、分類 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。以機(jī)座號(hào)（電機(jī)外徑）可分為：42BYG(BYG 為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號(hào))、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標(biāo)準(zhǔn)），而像 70BYG、90BYG、130BYG 等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。二、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極 N、S 磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用 m 表示。拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n 表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即 AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 θ 表示。θ=360 度（轉(zhuǎn)子齒數(shù) J*運(yùn)行拍數(shù)） ，以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50 齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360 度/（50*4）=1.8 度（俗稱整步） ，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360 度/ （50*8）=0.9 度（俗稱半步） 。定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）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。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無關(guān)。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)，但過份采用減小氣隙，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。三、步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：1)、步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。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)。2)、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)。稱之為失步。3)、失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)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。4)、最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。5)、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。6)、運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特性等。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流） ，平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。7)、電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在 180-250pps 之間（步距角 1.8 度）或在 400pps 左右（步距角為 0.9 度） ，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。8)、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)?AB-BC-CD-DA 或()時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)?DA-CA-BC-AB 或() 時(shí)為反轉(zhuǎn)。5.步進(jìn)電機(jī)的控制原理步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，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(hào)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(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下：1）控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)?A-B-C－D,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A,B,C，D 相的通斷。（1） 單相三拍方式：按單相繞組施加脈沖。正轉(zhuǎn)：A---B----C----A反轉(zhuǎn)：A—C----B-----A(2) 雙相三拍方式：按雙向繞組施加電流脈沖。正轉(zhuǎn)：AB—BC----CA----AB反轉(zhuǎn)：AC---CB-----BA— AC(3)三相六拍方式：?jiǎn)蜗嗬@組和雙相繞組交替施加電流脈沖正轉(zhuǎn)：A-----AB-----BC----C—CA—A反轉(zhuǎn)：A-----AC-----C----CB----B---BA—A單相三拍方式的每一拍步進(jìn)角為 3 度，三相六拍的步進(jìn)角則為 1.5 度。因此在三相六拍的方式下，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行要平穩(wěn)柔和一些，但在同樣的運(yùn)行角度與速度下，三相六拍驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率需要提高一倍，對(duì)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的開頭特性要求較高。2）.控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向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)。3）.控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)。四．步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成： 使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下：脈沖信號(hào)----------信號(hào)分配--------------功率放大-----------步進(jìn)電極-----------負(fù)載1、脈沖信號(hào)的產(chǎn)生。脈沖信號(hào)一般由單片機(jī)產(chǎn)生，一般脈沖信號(hào)的占空比為 0.3-0.4 左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。2、信號(hào)分配二相電機(jī)工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為,步距角為 1.8度；二相八拍為,步距角為 0.9 度。四相電機(jī)工作方式也有二種，四相四拍為 AB-BC-CD-DA-AB,步距角為 1.8 度；四相八拍為 AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為 0.9 度） 。3、功率放大功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流） 。平均電流越大電機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢(shì)。因而不同的場(chǎng)合采取不同的的驅(qū)動(dòng)方式，到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。步進(jìn)電機(jī)一經(jīng)定型，其性能取決于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要求電機(jī)的電流越大，驅(qū)動(dòng)電源的電壓越高。電壓對(duì)力矩影響如下：4、步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分驅(qū)動(dòng)在步進(jìn)電機(jī)步距角不能滿足使用的條件下，可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理是通過改變相鄰（A ，B）電流的大小，以改變合成磁場(chǎng)的夾角來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的。 （步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)，其主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個(gè)附帶功能。比如對(duì)于步進(jìn)角為 1.8 度的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，如果細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為４，那么電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)分辨率為每個(gè)脈沖 0.45 度，電機(jī)的精度能否達(dá)到或接近 0.45 度，還取決于細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制）a).步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分驅(qū)動(dòng)的工作原理是：在每次輸入脈沖切換時(shí)，不是將繞組電流全部通入 或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中額定的一部分，則電機(jī)轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)動(dòng)也只有步距角的一部 分。這里繞組電流不是 1 個(gè)方波，而是階梯波，額定電流是臺(tái)階式的投入或切除，電流分成 多少個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)過 1 個(gè)步距角。這樣將 1 個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū) 動(dòng)方法稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是：1)在不改變電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減小。但細(xì)分的步距角精度不高，功率放大驅(qū)動(dòng)電路也相應(yīng)復(fù)雜；2)能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。細(xì)分電流波形要實(shí)現(xiàn)細(xì)分就需要將輸入步進(jìn)電機(jī)繞組的矩形電流波改變成階梯形細(xì)分電流波，即設(shè)法使輸 入電機(jī)繞組的電流以若干個(gè)等幅、等寬度階梯上升到額定值，并以同樣的階梯從額定值下降 為零，如上圖所示。本文采用恒頻脈沖調(diào)寬細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述細(xì)分電流波形。b).細(xì)分后的電流波形和系統(tǒng)控制方案1.細(xì)分之后的電流波形(以三相六拍步進(jìn)電機(jī)三細(xì)分為例，如圖下所示細(xì)分后的電流波形2.系統(tǒng)控制方案本文就實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分的單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并且對(duì)系統(tǒng)控制性能進(jìn)行了試驗(yàn)與分析。步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分單片機(jī)控制系統(tǒng)電路組成如圖 3 所示，本系統(tǒng)采用 8031 單片機(jī)，其主要外圍電路有：D 觸發(fā)器，用于恒頻脈寬調(diào)制和階梯控制的合成；D/A 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生階梯電壓，此電壓通過比較器與繞組電壓比較后傳送給 D 觸發(fā)器；功率放大器用于將 D 觸發(fā)器輸出的恒頻脈沖調(diào)寬信號(hào)進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。此外，系統(tǒng)采用 LED 顯示器顯示過程信息和操作提示，程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)控制程序，鍵盤用來設(shè)定各種參數(shù)。單片機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng)原理框圖c)單片機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng)工作原理如上圖所示，首先通過鍵盤設(shè)定細(xì)分步數(shù)及采用幾細(xì)分，并在八位數(shù)碼管顯示，這時(shí)系統(tǒng)通過 8031 控制開始工作，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)有跳變相時(shí)，與該相連接的模擬開關(guān)閉合，選中此D/A 轉(zhuǎn)換開始工作，D/A 轉(zhuǎn)換輸出電壓 Vout，V out與電壓比較器同相端相接 ，而步進(jìn)電機(jī)該相輸出電壓 V 1，并與電壓比較器反相端相接，進(jìn)行電壓比較。當(dāng) V1＞V out時(shí)， 電壓比 較器輸出低電平，D 觸發(fā)器清零，開關(guān)管組成的功放級(jí)截止，I 1因繞組能量泄放而下 降，出現(xiàn) V1＜V out時(shí)，電壓比較器輸出高電平，CP 脈沖的上升沿使 D 觸發(fā) 器的 Q=1，功放級(jí)導(dǎo)通，則繞組電流 I1上升，結(jié)果是 V1＞V out，又 使電壓比較器輸出低電平，D 觸發(fā)器清零，功放級(jí)截止，I 1因繞組能量泄放而下降， 又出現(xiàn) V1＜V out。此過程一直往復(fù)。由于恒頻脈沖頻率較高，使 V1 基本保持在 Vout值，且 I1波頂比較平穩(wěn)。 這樣通過 D/A 轉(zhuǎn)換輸入不同的階梯電壓，產(chǎn)生不同的階梯電流，達(dá)到了步距角細(xì)分的目 的。五．步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式步進(jìn)電機(jī)常用有恒壓，恒流驅(qū)動(dòng)兩種。恒壓驅(qū)動(dòng)即在電機(jī)移步與鎖步時(shí)都加載額定電壓。為防止電機(jī)過流及改善驅(qū)動(dòng)特性需要加限流電阻。由于步進(jìn)電機(jī)鎖步時(shí)，限流電阻要消耗掉外，為防止驅(qū)動(dòng)電阻開關(guān)管關(guān)斷時(shí)步進(jìn)電機(jī)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)擊穿開關(guān)管，應(yīng)在電機(jī)繞組兩端并聯(lián)續(xù)流二極管。三相反應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的全壓驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示 驅(qū)動(dòng)脈沖的分配也可以使用硬件方法，也即使用脈沖分配器實(shí)現(xiàn)。1） 硬件設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)際是一個(gè)數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，定子上有六個(gè) 等分的大齒A，Z，B，X，C 和 Y，相鄰的兩個(gè)大齒之間的夾角是 60 度，每個(gè)大齒的內(nèi)表面有槽，形成 5 個(gè)均勻分布的矩形小齒，每個(gè)小齒之間的夾角是 9 度，各個(gè)大齒上均繞有線圈，沿直徑相對(duì)的兩個(gè)大齒上的線圈相互串聯(lián)或并聯(lián)，組成一相繞組。電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有繞組。轉(zhuǎn)子外表面沿圓周均勻的分布著 40 個(gè)小齒。相鄰兩個(gè)小齒之間的夾角也是 9 度。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和外加電壓的相序有關(guān)，例如在六拍方式下，按 A-AC-C-CB-B-BA 的次序通電，電機(jī)反轉(zhuǎn)。MCS-51 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，不采用脈沖分配器，而是使MCS-51 的 P1 口循環(huán)輸出適當(dāng)?shù)拇a，經(jīng)功放后送出到步進(jìn)電機(jī)的三相繞組。例如去P1.0,P1.1,P1.2 的反相放大后，分別送 A，B ，C 三相繞組，則當(dāng)圖原理示意圖 P1 口輸出代碼為 FEH，A 通電，B，C 相不通電，若輸出為 FDH，則 B 相通電，A ，C 相不通電，若先 輸出為 FEH，延時(shí)一段時(shí)間 T 以后，改為輸出 FDH，依次輸出適當(dāng)?shù)拇a，就可以讓電機(jī)，正轉(zhuǎn)后反轉(zhuǎn)，改變每一輸出代碼的延時(shí)時(shí)間為 T，就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，本設(shè)計(jì)采用四個(gè)鍵來控制三相步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，停止，按鍵如下：0#鍵：作為步進(jìn)電機(jī)的正向旋轉(zhuǎn)的啟動(dòng)鍵，按一次后按指定的低速正向旋轉(zhuǎn)。1#鍵：作為步進(jìn)電機(jī)的反向旋轉(zhuǎn)的啟動(dòng)鍵，按一次后按指定的低速反向旋轉(zhuǎn)。2#鍵：加速鍵，按一次使電機(jī)轉(zhuǎn)速提高一倍。3#鍵：停止鍵，按一次后，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。接線圖如下：2） 軟件設(shè)計(jì)由于硬件方法比較復(fù)雜，而且成本也很高。步進(jìn)電機(jī)控制（包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配）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(jiǎn)化了電路，也降低了成本。使用單片機(jī)以軟件方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，不但可以通過編程方法在一定范圍內(nèi)自由的設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。往返轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)等，而且還可以方便靈活的控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，以滿足不同用戶的要求。因此常把單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制電路稱為可編程步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器。功率放大電路中采用反相器 N1 將單片機(jī) P1.0 口輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)，并經(jīng)三極管 V11 去控制光電耦合器。信號(hào)經(jīng)過光電隔離后，在經(jīng)過 V12 功率管放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的 A 相。三相步進(jìn)電機(jī)的 B 相，C 相分別由電片機(jī) P1.1，p1.2 口進(jìn)行控制，其功率放大和驅(qū)動(dòng)電路與 A 相繞組相同。（1） 采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，有如下程序模塊：①主程序 MAIN：完成系統(tǒng)初始化，鍵盤掃描及根據(jù)現(xiàn)有狀態(tài)決定點(diǎn)饑的方式②電機(jī)正轉(zhuǎn)子程序：確定正轉(zhuǎn)的初始步序號(hào)，使電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)一周③電機(jī)反轉(zhuǎn)子程序：確定正轉(zhuǎn)的初始步序號(hào)，使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)一周④電機(jī)加速子程序：確保電機(jī)處于正或反轉(zhuǎn)時(shí)，改變延時(shí)時(shí)間參數(shù)⑤電機(jī)停止子程序：執(zhí)行停止鍵功能，消除有關(guān)標(biāo)識(shí)。⑥延時(shí)子程序：保證電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)每一步所需要的時(shí)間，以便控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速（2） 資源分配：位地址 00H。01H 分別作為電機(jī)正。反轉(zhuǎn)的標(biāo)識(shí)位。R7 作為延時(shí)參數(shù)的暫存植。8051P1 口的 P1.0.P1.1,P1.2 作為電機(jī)的控制口，經(jīng)過反向和功率放大分別與步進(jìn)電機(jī)的,A,B,Cs 三相連接。8051 的 P0,P1 口與 8155 相關(guān)管腳連接，負(fù)責(zé)完成鍵盤的接口功能。雙相六拍控制模型步序 P1 口輸出狀態(tài) 繞組 控制字1 0000 0001 A 01H2 0000 0011 AB 03H3 0000 0010 B 02H4 0000 0010 BC 06H5 0000 0100 C 04H6 0000 0101 CA 05H（3）軟件流程框如圖 所示(4)程序設(shè)計(jì)：晶振： 12Hz：ORG 0000H AJMP STARTZZMK BIT 00HFZMK BIT 01H;ORG 0100START : MOV SP,#70HMOV IE,#00HMOV DPTR,#PORT ;8155 初始化MOV A,#43HMOVX @DPTR,AMOV R7,#50CLR ZZMKCLR FZMK MAIN:ACALL KS ；調(diào)按鍵查詢子程序，判斷是否按下JNZ K1 ；有鍵按下，轉(zhuǎn)移ACALL DELAY ；無鍵按下，調(diào)延時(shí)子程序JNB ZZMK,MAIN1 ；第 0 行無鍵按下，轉(zhuǎn)查第 1 行AJMP ZZ ；電機(jī)正轉(zhuǎn)MAIN1: JNB FZMK,MAIN2 ；第 1 行無鍵按下，轉(zhuǎn)查第 2 行AJMP FZ ；電機(jī)反轉(zhuǎn)MAIN2: AJMP TZ--------------------------------------按鍵判斷子程序-------------------------K1 : ACALL DELAY ；鍵盤去抖延時(shí)MOV A,#0FEH ；首列掃描字送 R3MOV DPTR ,#PORTA ;PA 口地址送 DPTR，開始列掃描MOVX @DPTR,A ；列掃描字送 PA 口INC DPTR ；指向 PC 口INC DPTRMOVX A,@DPTR ；讀取行掃描值MOV B,AJB ACC.0,L1 ；第 0 行無鍵按下，轉(zhuǎn)查第 1 行 SETB ZZMKCLR FZMKAJMP ZZL1: JB ACC.1,L2 ；電機(jī)正轉(zhuǎn)CLR ZZMK ；第 1 行無鍵按下，轉(zhuǎn)查第 2 行SETB FZMKAJMP FZ ；電機(jī)反轉(zhuǎn)L2: JB ACC.2，L3 ;第 2 行無鍵按下，轉(zhuǎn)查第 3 行AJMP JS ; 轉(zhuǎn)求鍵號(hào)L3: JB ACC.3 NEXT ;第三行無鍵按下，退出 AJMP TZ NEXT: AJMP MAIN--------------按鍵查詢子程序 --------------------KS: MOV DPTR,#PORTA ；置 8155PA 口地址MOV A,#00HMOVX @DPTR,A ；全掃描字#00H 送 PA 口INC DPTR ；指向 PC 口INC DPTRMOVX A,@DPTR ；讀入 PC 口狀態(tài)CPL A ；變正邏輯，高電平表示有鍵按下ANL A,#0FH ；屏蔽高 4 位 RET ；返回， A≠0表示有鍵按下-----------------電機(jī)正轉(zhuǎn)子程序-----------------------ZZ: MOV 30H,#00H ；設(shè)初始步序號(hào)MOV R3,#8 ；因?yàn)椴骄嘟菫?15 度，3×15=45，360/45=8 次，即要重復(fù) 8 次ZZ0: MOV R1,#3 ；3 步相序MOV R0,30H ；取初始步序號(hào)ZZ1: MOV A,R0MOV DPTR,#TAMOVC A,@+DPTR ；查步序碼MOV P1,A ；送 P1 口驅(qū)動(dòng)ACALL DELAY ；延時(shí) INC R0 ；修改步序DJNZ R1, ZZ1 ；檢查步序數(shù) DJNZ R3,ZZ0 ；檢查相序重復(fù)次數(shù)AJMP MAIN------------------------電機(jī)反轉(zhuǎn)子程序------------------------------FZ: MOV 30H,#04H ；設(shè)初始步序號(hào)MOV R3,#8 ；因?yàn)椴骄嘟菫?15 度，3×15=45，360/45=8 次，即要重復(fù) 8 次FZ0: MOV R1,#3 ；3 步相序MOV R0,30H ；取初始步序號(hào)FZ1: MOV A,R0MOV DPTR,#TABMOVC A,@A+DPTR ；查步序碼MOV P1,A ；送 P1 口驅(qū)動(dòng)ACALL DELAY ；延時(shí)INC R0 ；修改步序DJNZ R1,FZ1 ；檢查步序數(shù)DJNZ R3 ,FZ0 ；檢查相序重復(fù)次數(shù)AJMP MAIN------------------------電機(jī)加速子程序---------------------------JS : JNB ZZMK,JS1MOV R7,#25AJMP JS2JS1: JNB FZMK,JS2MOV R7,#25JS2: AJMP MAIN----------------------電機(jī)停止子程序------------------TZ ： MOV P1，#0FFH ；停機(jī)CLR ZZMKCLR FZMKAJMP MAIN ；停止返回---------------------電機(jī)延時(shí)子程序 -------------------DELAY : MOV R4,R7 步序延時(shí) 50msDE1: MOV R5,#250DE0: NOPNOP DJNZ R5,DE0DJNZ R4,DE1RET;TA B DB 08H,01H,02H,04H ；正轉(zhuǎn)步序碼DB 08H,04H,02H,01H ；反轉(zhuǎn)步序碼END 程序結(jié)束六 設(shè)計(jì)分析與結(jié)論本步進(jìn)電動(dòng)機(jī)介紹及其控制系統(tǒng)，具有以下突出特點(diǎn)：1．在步進(jìn)電機(jī)的解釋中，充分的解釋到什么是步進(jìn)電機(jī)，以及步進(jìn)電機(jī)的分類，參數(shù)，術(shù)語 等2．在步進(jìn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分技術(shù)中，講述什么是細(xì)分技術(shù)，如何保證了高精度細(xì)分的實(shí)現(xiàn)。 3．在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了“步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)，加速，停止”方法，從原理上解決了使用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī) 4．在單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的中，設(shè)計(jì)了單片機(jī)程序，保證步進(jìn)電機(jī)的控制本設(shè)計(jì)從個(gè)方面都不是很完善，希望老師們能給予指導(dǎo)和幫助。 七．結(jié)束語 在整個(gè)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)過程中，我主要圍繞著什么是步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)。從方案的制定到軟件的編寫我都經(jīng)過反復(fù)的思考，并且查看了很多的參考書籍和參考資料，以及得到了指導(dǎo)老師的從旁指導(dǎo)和大力支持。 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我進(jìn)一步加強(qiáng)了自己的動(dòng)手能力和運(yùn)用專業(yè)知識(shí)的能力，從中學(xué)到如何去思考和解決問題，以及如何靈活地改變方法去實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案；特別是深刻體會(huì)到的是軟件和硬件結(jié)合的重要性，以及兩者的聯(lián)系和配合作用。 通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，我既鞏固了專業(yè)知識(shí)，又學(xué)到了在設(shè)計(jì)高精密儀器過程中的許多流程和該注意的事項(xiàng)，增強(qiáng)了產(chǎn)品開發(fā)的意識(shí)，是我在大學(xué)時(shí)期很好的一次實(shí)踐和鍛煉機(jī)會(huì)。 附錄步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制硬件原理圖 參考文獻(xiàn)：[1]張永楓，王靜霞等編著《單片機(jī)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)教程》西安電子科技大學(xué)出版社 2005.1[2]呂國雄、鄭永駒編著《MCS－51 系列單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用基礎(chǔ)教程》 廣東高等教育出版社 1994.12 [3]王建校等編著 《51 系列及 C51 程序設(shè)計(jì)》 科學(xué)出版社 2002.4[4]謝自美《電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試（第二版）》華中理工大學(xué)出版社，2000.[5]薛鈞義等編著《凌陽十六位單片機(jī)原理及應(yīng)用》北京航空航天大學(xué)出版社，2003.[6]梁軍編著《單片機(jī)原理及應(yīng)用》東南大學(xué)出版社 2000 [7]何立民編著《單片機(jī)高級(jí)教程》北京航空航天大學(xué)出版社 2000 致 謝特別感謝機(jī)電工程學(xué)院的賈蘭英老師，將文科老師的悉心指導(dǎo)和大力幫助，也感謝機(jī)電工程學(xué)院的所有老師在本科學(xué)習(xí)中給予我的良好教育和幫助。 2006 年電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)——單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)微量控制的軟件設(shè)計(jì)姓名：鐘旭專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：0201 班學(xué)號(hào)：20022140401162006 年電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)——單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)微量控制的軟件設(shè)計(jì)【題目名稱】單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)微量控制的軟件設(shè)計(jì)【提交日期】2006-6-10【著者姓名】鐘旭【所屬專業(yè)】電氣工程及其自動(dòng)化【導(dǎo)師姓名】賈蘭英【學(xué)位級(jí)別】學(xué)士學(xué)位【主題詞 】 步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分，驅(qū)動(dòng)，MCS51，8155，8055【中文摘要】步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不可分割的三大部分。本論文在比較了各種驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上, 采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理、MCS51單片機(jī)作為中心控制單元. 本系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)由單片機(jī) 8155、8051、地址譯碼器74LS138、D/A 轉(zhuǎn)換器等組成。用單片機(jī)控制三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，采用軟件代替脈沖分配器，讓 MCS-51 的 P.0,P.1,P.2 產(chǎn)生具有一定規(guī)律的脈沖序列，分別完成正，反向不同速度的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)可以完成角度的旋轉(zhuǎn)。論文對(duì)各部分電路的工作原理及調(diào)試結(jié)果作了詳細(xì)討論。從調(diào)試結(jié)果可以看出,電機(jī)分別完成正，反向不同速度的旋轉(zhuǎn)，電路工作穩(wěn)定,基本達(dá)到了預(yù)期目的,是一種可行的驅(qū)動(dòng)方案。引言動(dòng)控制系統(tǒng)中數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展與成熟，步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化控制中得到廣泛的應(yīng)用。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)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”) ，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；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。步進(jìn)電機(jī)具有快速啟動(dòng)能力，只要電機(jī)的負(fù)荷不超過它所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，就能通過輸入脈沖來控制它在一瞬間啟動(dòng)和停止，步進(jìn)電機(jī)的步距角和轉(zhuǎn)速只和輸入的脈沖頻率有關(guān)，和環(huán)境溫度，氣壓，沖擊以及振動(dòng)無關(guān)，也不受電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，它每轉(zhuǎn)一周都有固定的參數(shù)。步進(jìn)精確和步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為 100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。如，工業(yè)過程控制，自動(dòng)化儀表，簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床，繪圖儀，打印機(jī)等設(shè)備。由于工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在自動(dòng)化控制、精密機(jī)械加工、航空航天技術(shù)以及所有要求高精度定位、自動(dòng)記錄、自動(dòng)瞄準(zhǔn)等高新技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分要求也越來越高一． 步進(jìn)電機(jī)的工作原理。1.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)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”) ，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；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。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為 100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。2.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。a.永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 7.5 度 或 15 度；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 1.5 度，但噪聲和振動(dòng)都很大。b.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。c.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)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 1.8 度而五相步進(jìn)角一般為 0.72 度感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)工作原理 a.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理 由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡(jiǎn)單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。1)結(jié)構(gòu)：電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，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。0、1/3 て、2/3 て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示） ，即A 與齒 1 相對(duì)齊，B 與齒 2 向右錯(cuò)開 1/3 て，C 與齒 3 向右錯(cuò)開 2/3 て，A'與齒 5 相對(duì)齊， （A'就是 A，齒 5 就是齒 1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：2)、旋轉(zhuǎn)：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 B 相通電，A，C 相不通電時(shí)，齒 2 應(yīng)與 B 對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過 1/3 て，此時(shí)齒 3 與 C 偏移為 1/3 て，齒 4 與 A 偏移（て-1/3 て）=2/3 て。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 1/3 て，此時(shí)齒 4 與 A 偏移為1/3 て對(duì)齊。如 A 相通電，B，C 相不通電，齒 4 與 A 對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3 て這樣經(jīng)過 A、B、C、A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 A 相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷地按 A，B，C ，A ……通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3 て,向右旋轉(zhuǎn)。如按 A，C ，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。不過，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用 A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步 1/3 て改變?yōu)?1/6 て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3 て變?yōu)?1/12 て，1/24 て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。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。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。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。 3)、力矩：電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量 Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度產(chǎn)生力 F與（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量 Ф=Br*S Br 為磁密，S 為導(dǎo)磁面積， F 與 L*D*Br 成正比 L 為鐵芯有效長(zhǎng)度，D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N·I/R N·I 為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R 為磁阻。力矩=力*半徑力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。b.感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī) 1)、特點(diǎn)： 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如：四相，八相運(yùn)行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式 .不難發(fā)現(xiàn)其條件為 C=,D=. 一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時(shí)，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。 2)、分類 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。以機(jī)座號(hào)（電機(jī)外徑）可分為：42BYG(BYG 為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號(hào))、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標(biāo)準(zhǔn)），而像 70BYG、90BYG、130BYG 等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。二、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極 N、S 磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用 m 表示。拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n 表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即 AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 θ 表示。θ=360 度（轉(zhuǎn)子齒數(shù) J*運(yùn)行拍數(shù)） ，以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50 齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360 度/（50*4）=1.8 度（俗稱整步） ，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360 度/ （50*8）=0.9 度（俗稱半步） 。定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）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。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無關(guān)。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)，但過份采用減小氣隙，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。三、步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：1)、步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。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)。2)、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)。稱之為失步。3)、失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)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。4)、最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。5)、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。6)、運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特性等。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流） ，平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。7)、電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在 180-250pps 之間（步距角 1.8 度）或在 400pps 左右（步距角為 0.9 度） ，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。8)、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)?AB-BC-CD-DA 或()時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)?DA-CA-BC-AB 或() 時(shí)為反轉(zhuǎn)。5.步進(jìn)電機(jī)的控制原理步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，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(hào)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(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下：1）控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)?A-B-C－D,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A,B,C，D 相的通斷。（1） 單相三拍方式：按單相繞組施加脈沖。正轉(zhuǎn)：A---B----C----A反轉(zhuǎn)：A—C----B-----A(2) 雙相三拍方式：按雙向繞組施加電流脈沖。正轉(zhuǎn)：AB—BC----CA----AB反轉(zhuǎn)：AC---CB-----BA— AC(3)三相六拍方式：?jiǎn)蜗嗬@組和雙相繞組交替施加電流脈沖正轉(zhuǎn)：A-----AB-----BC----C—CA—A反轉(zhuǎn)：A-----AC-----C----CB----B---BA—A單相三拍方式的每一拍步進(jìn)角為 3 度，三相六拍的步進(jìn)角則為 1.5 度。因此在三相六拍的方式下，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行要平穩(wěn)柔和一些，但在同樣的運(yùn)行角度與速度下，三相六拍驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率需要提高一倍，對(duì)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的開頭特性要求較高。2）.控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向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)。3）.控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)。四．步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成： 使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下：脈沖信號(hào)----------信號(hào)分配--------------功率放大-----------步進(jìn)電極-----------負(fù)載1、脈沖信號(hào)的產(chǎn)生。脈沖信號(hào)一般由單片機(jī)產(chǎn)生，一般脈沖信號(hào)的占空比為 0.3-0.4 左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。2、信號(hào)分配二相電機(jī)工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為,步距角為 1.8度；二相八拍為,步距角為 0.9 度。四相電機(jī)工作方式也有二種，四相四拍為 AB-BC-CD-DA-AB,步距角為 1.8 度；四相八拍為 AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為 0.9 度） 。3、功率放大功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流） 。平均電流越大電機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢(shì)。因而不同的場(chǎng)合采取不同的的驅(qū)動(dòng)方式，到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。步進(jìn)電機(jī)一經(jīng)定型，其性能取決于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要求電機(jī)的電流越大，驅(qū)動(dòng)電源的電壓越高。電壓對(duì)力矩影響如下：4、步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分驅(qū)動(dòng)在步進(jìn)電機(jī)步距角不能滿足使用的條件下，可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理是通過改變相鄰（A ，B）電流的大小，以改變合成磁場(chǎng)的夾角來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的。 （步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)，其主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個(gè)附帶功能。比如對(duì)于步進(jìn)角為 1.8 度的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，如果細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為４，那么電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)分辨率為每個(gè)脈沖 0.45 度，電機(jī)的精度能否達(dá)到或接近 0.45 度，還取決于細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制）a).步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分驅(qū)動(dòng)的工作原理是：在每次輸入脈沖切換時(shí)，不是將繞組電流全部通入 或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中額定的一部分，則電機(jī)轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)動(dòng)也只有步距角的一部 分。這里繞組電流不是 1 個(gè)方波，而是階梯波，額定電流是臺(tái)階式的投入或切除，電流分成 多少個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)過 1 個(gè)步距角。這樣將 1 個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū) 動(dòng)方法稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是：1)在不改變電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減小。但細(xì)分的步距角精度不高，功率放大驅(qū)動(dòng)電路也相應(yīng)復(fù)雜；2)能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。細(xì)分電流波形要實(shí)現(xiàn)細(xì)分就需要將輸入步進(jìn)電機(jī)繞組的矩形電流波改變成階梯形細(xì)分電流波，即設(shè)法使輸 入電機(jī)繞組的電流以若干個(gè)等幅、等寬度階梯上升到額定值，并以同樣的階梯從額定值下降 為零，如上圖所示。本文采用恒頻脈沖調(diào)寬細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述細(xì)分電流波形。b).細(xì)分后的電流波形和系統(tǒng)控制方案1.細(xì)分之后的電流波形(以三相六拍步進(jìn)電機(jī)三細(xì)分為例，如圖下所示細(xì)分后的電流波形2.系統(tǒng)控制方案本文就實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分的單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并且對(duì)系統(tǒng)控制性能進(jìn)行了試驗(yàn)與分析。步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分單片機(jī)控制系統(tǒng)電路組成如圖 3 所示，本系統(tǒng)采用 8031 單片機(jī)，其主要外圍電路有：D 觸發(fā)器，用于恒頻脈寬調(diào)制和階梯控制的合成；D/A 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生階梯電壓，此電壓通過比較器與繞組電壓比較后傳送給 D 觸發(fā)器；功率放大器用于將 D 觸發(fā)器輸出的恒頻脈沖調(diào)寬信號(hào)進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。此外，系統(tǒng)采用 LED 顯示器顯示過程信息和操作提示，程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)控制程序，鍵盤用來設(shè)定各種參數(shù)。單片機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng)原理框圖c)單片機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng)工作原理如上圖所示，首先通過鍵盤設(shè)定細(xì)分步數(shù)及采用幾細(xì)分，并在八位數(shù)碼管顯示，這時(shí)系統(tǒng)通過 8031 控制開始工作，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)有跳變相時(shí)，與該相連接的模擬開關(guān)閉合，選中此D/A 轉(zhuǎn)換開始工作，D/A 轉(zhuǎn)換輸出電壓 Vout，V out與電壓比較器同相端相接 ，而步進(jìn)電機(jī)該相輸出電壓 V 1，并與電壓比較器反相端相接，進(jìn)行電壓比較。當(dāng) V1＞V out時(shí)， 電壓比 較器輸出低電平，D 觸發(fā)器清零，開關(guān)管組成的功放級(jí)截止，I 1因繞組能量泄放而下 降，出現(xiàn) V1＜V out時(shí)，電壓比較器輸出高電平，CP 脈沖的上升沿使 D 觸發(fā) 器的 Q=1，功放級(jí)導(dǎo)通，則繞組電流 I1上升，結(jié)果是 V1＞V out，又 使電壓比較器輸出低電平，D 觸發(fā)器清零，功放級(jí)截止，I 1因繞組能量泄放而下降， 又出現(xiàn) V1＜V out。此過程一直往復(fù)。由于恒頻脈沖頻率較高，使 V1 基本保持在 Vout值，且 I1波頂比較平穩(wěn)。 這樣通過 D/A 轉(zhuǎn)換輸入不同的階梯電壓，產(chǎn)生不同的階梯電流，達(dá)到了步距角細(xì)分的目 的。五．步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式步進(jìn)電機(jī)常用有恒壓，恒流驅(qū)動(dòng)兩種。恒壓驅(qū)動(dòng)即在電機(jī)移步與鎖步時(shí)都加載額定電壓。為防止電機(jī)過流及改善驅(qū)動(dòng)特性需要加限流電阻。由于步進(jìn)電機(jī)鎖步時(shí)，限流電阻要消耗掉外，為防止驅(qū)動(dòng)電阻開關(guān)管關(guān)斷時(shí)步進(jìn)電機(jī)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)擊穿開關(guān)管，應(yīng)在電機(jī)繞組兩端并聯(lián)續(xù)流二極管。三相反應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的全壓驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示 驅(qū)動(dòng)脈沖的分配也可以使用硬件方法，也即使用脈沖分配器實(shí)現(xiàn)。1） 硬件設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)際是一個(gè)數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，定子上有六個(gè) 等分的大齒A，Z，B，X，C 和 Y，相鄰的兩個(gè)大齒之間的夾角是 60 度，每個(gè)大齒的內(nèi)表面有槽，形成 5 個(gè)均勻分布的矩形小齒，每個(gè)小齒之間的夾角是 9 度，各個(gè)大齒上均繞有線圈，沿直徑相對(duì)的兩個(gè)大齒上的線圈相互串聯(lián)或并聯(lián)，組成一相繞組。電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有繞組。轉(zhuǎn)子外表面沿圓周均勻的分布著 40 個(gè)小齒。相鄰兩個(gè)小齒之間的夾角也是 9 度。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和外加電壓的相序有關(guān)，例如在六拍方式下，按 A-AC-C-CB-B-BA 的次序通電，電機(jī)反轉(zhuǎn)。MCS-51 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，不采用脈沖分配器，而是使MCS-51 的 P1 口循環(huán)輸出適當(dāng)?shù)拇a，經(jīng)功放后送出到步進(jìn)電機(jī)的三相繞組。例如去P1.0,P1.1,P1.2 的反相放大后，分別送 A，B ，C 三相繞組，則當(dāng)圖原理示意圖 P1 口輸出代碼為 FEH，A 通電，B，C 相不通電，若輸出為 FDH，則 B 相通電，A ，C 相不通電，若先 輸出為 FEH，延時(shí)一段時(shí)間 T 以后，改為輸出 FDH，依次輸出適當(dāng)?shù)拇a，就可以讓電機(jī)，正轉(zhuǎn)后反轉(zhuǎn)，改變每一輸出代碼的延時(shí)時(shí)間為 T，就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，本設(shè)計(jì)采用四個(gè)鍵來控制三相步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，停止，按鍵如下：0#鍵：作為步進(jìn)電機(jī)的正向旋轉(zhuǎn)的啟動(dòng)鍵，按一次后按指定的低速正向旋轉(zhuǎn)。1#鍵：作為步進(jìn)電機(jī)的反向旋轉(zhuǎn)的啟動(dòng)鍵，按一次后按指定的低速反向旋轉(zhuǎn)。2#鍵：加速鍵，按一次使電機(jī)轉(zhuǎn)速提高一倍。3#鍵：停止鍵，按一次后，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。接線圖如下：2） 軟件設(shè)計(jì)由于硬件方法比較復(fù)雜，而且成本也很高。步進(jìn)電機(jī)控制（包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配）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(jiǎn)化了電路，也降低了成本。使用單片機(jī)以軟件方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，不但可以通過編程方法在一定范圍內(nèi)自由的設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。往返轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)等，而且還可以方便靈活的控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，以滿足不同用戶的要求。因此常把單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制電路稱為可編程步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器。功率放大電路中采用反相器 N1 將單片機(jī) P1.0 口輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)，并經(jīng)三極管 V11 去控制光電耦合器。信號(hào)經(jīng)過光電隔離后，在經(jīng)過 V12 功率管放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的 A 相。三相步進(jìn)電機(jī)的 B 相，C 相分別由電片機(jī) P1.1，p1.2 口進(jìn)行控制，其功率放大和驅(qū)動(dòng)電路與 A 相繞組相同。（1） 采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，有如下程序模塊：①主程序 MAIN：完成系統(tǒng)初始化，鍵盤掃描及根據(jù)現(xiàn)有狀態(tài)決定點(diǎn)饑的方式②電機(jī)正轉(zhuǎn)子程序：確定正轉(zhuǎn)的初始步序號(hào)，使電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)一周③電機(jī)反轉(zhuǎn)子程序：確定正轉(zhuǎn)的初始步序號(hào)，使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)一周④電機(jī)加速子程序：確保電機(jī)處于正或反轉(zhuǎn)時(shí)，改變延時(shí)時(shí)間參數(shù)⑤電機(jī)停止子程序：執(zhí)行停止鍵功能，消除有關(guān)標(biāo)識(shí)。⑥延時(shí)子程序：保證電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)每一步所需要的時(shí)間，以便控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速（2） 資源分配：位地址 00H。01H 分別作為電機(jī)正。反轉(zhuǎn)的標(biāo)識(shí)位。R7 作為延時(shí)參數(shù)的暫存植。8051P1 口的 P1.0.P1.1,P1.2 作為電機(jī)的控制口，經(jīng)過反向和功率放大分別與步進(jìn)電機(jī)的,A,B,Cs 三相連接。8051 的 P0,P1 口與 8155 相關(guān)管腳連接，負(fù)責(zé)完成鍵盤的接口功能。雙相六拍控制模型步序 P1 口輸出狀態(tài) 繞組 控制字1 0000 0001 A 01H2 0000 0011 AB 03H3 0000 0010 B 02H4 0000 0010 BC 06H5 0000 0100 C 04H6 0000 0101 CA 05H（3）軟件流程框如圖 所示(4)程序設(shè)計(jì)：晶振： 12Hz：ORG 0000H AJMP STARTZZMK BIT 00HFZMK BIT 01H;ORG 0100START : MOV SP,#70HMOV IE,#00HMOV DPTR,#PORT ;8155 初始化MOV A,#43HMOVX @DPTR,AMOV R7,#50CLR ZZMKCLR FZMK MAIN:ACALL KS ；調(diào)按鍵查詢子程序，判斷是否按下JNZ K1 ；有鍵按下，轉(zhuǎn)移ACALL DELAY ；無鍵按下，調(diào)延時(shí)子程序JNB ZZMK,MAIN1 ；第 0 行無鍵按下，轉(zhuǎn)查第 1 行AJMP ZZ ；電機(jī)正轉(zhuǎn)MAIN1: JNB FZMK,MAIN2 ；第 1 行無鍵按下，轉(zhuǎn)查第 2 行AJMP FZ ；電機(jī)反轉(zhuǎn)MAIN2: AJMP TZ--------------------------------------按鍵判斷子程序-------------------------K1 : ACALL DELAY ；鍵盤去抖延時(shí)MOV A,#0FEH ；首列掃描字送 R3MOV DPTR ,#PORTA ;PA 口地址送 DPTR，開始列掃描MOVX @DPTR,A ；列掃描字送 PA 口INC DPTR ；指向 PC 口INC DPTRMOVX A,@DPTR ；讀取行掃描值MOV B,AJB ACC.0,L1 ；第 0 行無鍵按下，轉(zhuǎn)查第 1 行 SETB ZZMKCLR FZMKAJMP ZZL1: JB ACC.1,L2 ；電機(jī)正轉(zhuǎn)CLR ZZMK ；第 1 行無鍵按下，轉(zhuǎn)查第 2 行SETB FZMKAJMP FZ ；電機(jī)反轉(zhuǎn)L2: JB ACC.2，L3 ;第 2 行無鍵按下，轉(zhuǎn)查第 3 行AJMP JS ; 轉(zhuǎn)求鍵號(hào)L3: JB ACC.3 NEXT ;第三行無鍵按下，退出 AJMP TZ NEXT: AJMP MAIN--------------按鍵查詢子程序 --------------------KS: MOV DPTR,#PORTA ；置 8155PA 口地址MOV A,#00HMOVX @DPTR,A ；全掃描字#00H 送 PA 口INC DPTR ；指向 PC 口INC DPTRMOVX A,@DPTR ；讀入 PC 口狀態(tài)CPL A ；變正邏輯，高電平表示有鍵按下ANL A,#0FH ；屏蔽高 4 位 RET ；返回， A≠0表示有鍵按下-----------------電機(jī)正轉(zhuǎn)子程序-----------------------ZZ: MOV 30H,#00H ；設(shè)初始步序號(hào)MOV R3,#8 ；因?yàn)椴骄嘟菫?15 度，3×15=45，360/45=8 次，即要重復(fù) 8 次ZZ0: MOV R1,#3 ；3 步相序MOV R0,30H ；取初始步序號(hào)ZZ1: MOV A,R0MOV DPTR,#TAMOVC A,@+DPTR ；查步序碼MOV P1,A ；送 P1 口驅(qū)動(dòng)ACALL DELAY ；延時(shí) INC R0 ；修改步序DJNZ R1, ZZ1 ；檢查步序數(shù) DJNZ R3,ZZ0 ；檢查相序重復(fù)次數(shù)AJMP MAIN------------------------電機(jī)反轉(zhuǎn)子程序------------------------------FZ: MOV 30H,#04H ；設(shè)初始步序號(hào)MOV R3,#8 ；因?yàn)椴骄嘟菫?15 度，3×15=45，360/45=8 次，即要重復(fù) 8 次FZ0: MOV R1,#3 ；3 步相序MOV R0,30H ；取初始步序號(hào)FZ1: MOV A,R0MOV DPTR,#TABMOVC A,@A+DPTR ；查步序碼MOV P1,A ；送 P1 口驅(qū)動(dòng)ACALL DELAY ；延時(shí)INC R0 ；修改步序DJNZ R1,FZ1 ；檢查步序數(shù)DJNZ R3 ,FZ0 ；檢查相序重復(fù)次數(shù)AJMP MAIN------------------------電機(jī)加速子程序---------------------------JS : JNB ZZMK,JS1MOV R7,#25AJMP JS2JS1: JNB FZMK,JS2MOV R7,#25JS2: AJMP MAIN----------------------電機(jī)停止子程序------------------TZ ： MOV P1，#0FFH ；停機(jī)CLR ZZMKCLR FZMKAJMP MAIN ；停止返回---------------------電機(jī)延時(shí)子程序 -------------------DELAY : MOV R4,R7 步序延時(shí) 50msDE1: MOV R5,#250DE0: NOPNOP DJNZ R5,DE0DJNZ R4,DE1RET;TA B DB 08H,01H,02H,04H ；正轉(zhuǎn)步序碼DB 08H,04H,02H,01H ；反轉(zhuǎn)步序碼END 程序結(jié)束六 設(shè)計(jì)分析與結(jié)論本步進(jìn)電動(dòng)機(jī)介紹及其控制系統(tǒng)，具有以下突出特點(diǎn)：1．在步進(jìn)電機(jī)的解釋中，充分的解釋到什么是步進(jìn)電機(jī)，以及步進(jìn)電機(jī)的分類，參數(shù)，術(shù)語 等2．在步進(jìn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分技術(shù)中，講述什么是細(xì)分技術(shù)，如何保證了高精度細(xì)分的實(shí)現(xiàn)。 3．在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了“步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)，加速，停止”方法，從原理上解決了使用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī) 4．在單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的中，設(shè)計(jì)了單片機(jī)程序，保證步進(jìn)電機(jī)的控制本設(shè)計(jì)從個(gè)方面都不是很完善，希望老師們能給予指導(dǎo)和幫助。 七．結(jié)束語 在整個(gè)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)過程中，我主要圍繞著什么是步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)。從方案的制定到軟件的編寫我都經(jīng)過反復(fù)的思考，并且查看了很多的參考書籍和參考資料，以及得到了指導(dǎo)老師的從旁指導(dǎo)和大力支持。 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我進(jìn)一步加強(qiáng)了自己的動(dòng)手能力和運(yùn)用專業(yè)知識(shí)的能力，從中學(xué)到如何去思考和解決問題，以及如何靈活地改變方法去實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案；特別是深刻體會(huì)到的是軟件和硬件結(jié)合的重要性，以及兩者的聯(lián)系和配合作用。 通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，我既鞏固了專業(yè)知識(shí)，又學(xué)到了在設(shè)計(jì)高精密儀器過程中的許多流程和該注意的事項(xiàng)，增強(qiáng)了產(chǎn)品開發(fā)的意識(shí)，是我在大學(xué)時(shí)期很好的一次實(shí)踐和鍛煉機(jī)會(huì)。 附錄步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制硬件原理圖 參考文獻(xiàn)：[1]張永楓，王靜霞等編著《單片機(jī)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)教程》西安電子科技大學(xué)出版社 2005.1[2]呂國雄、鄭永駒編著《MCS－51 系列單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用基礎(chǔ)教程》 廣東高等教育出版社 1994.12 [3]王建校等編著 《51 系列及 C51 程序設(shè)計(jì)》 科學(xué)出版社 2002.4[4]謝自美《電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試（第二版）》華中理工大學(xué)出版社，2000.[5]薛鈞義等編著《凌陽十六位單片機(jī)原理及應(yīng)用》北京航空航天大學(xué)出版社，2003.[6]梁軍編著《單片機(jī)原理及應(yīng)用》東南大學(xué)出版社 2000 [7]何立民編著《單片機(jī)高級(jí)教程》北京航空航天大學(xué)出版社 2000 致 謝特別感謝機(jī)電工程學(xué)院的賈蘭英老師，將文科老師的悉心指導(dǎo)和大力幫助，也感謝機(jī)電工程學(xué)院的所有老師在本科學(xué)習(xí)中給予我的良好教育和幫助。