步進電機的加減速控制

1、<p>　　步進電機的加減速控制</p><p>　　[摘 要]本文詳細分析了步進電機及其工作原理，并基于MCS-51系列單片機設計步進電機的數字控制系統。在設計中加入了步進電機的細分技術和恒頻脈寬調制技術。結合脈沖分配器的使用，開發(fā)了簡單的細分驅動控制電路。 </p><p>　　[關鍵詞]步進電機；單片機；細分控制 </p><p>　　中圖分類號：F

2、140 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）40-0038-01 </p><p><b>　　一、引言 </b></p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展和微電子控制技術的應用，步進電機作為一種可以精確控制的電機，廣泛應用在高精密加工機床，微型機器人控制，航天衛(wèi)星等高科技領域。 </p><p>　　二、 步進電機的原理 &

3、lt;/p><p>　　步進電機是一種控制用的特種電機，它無法像傳統電機那樣直接通過輸入交流或直流電流使其運行，而是需要輸入脈沖電流來控制電機的轉動，所以步進電機又稱為脈沖電機。其功能是將脈沖電信號變換為相應的角位移或直線位移，即給一個脈沖電信號，電機就轉動一個角度或前進一步。按勵磁方式可以分為反應式、永磁式和混合式三種類型，本設計中選用的是反應式步進電機，其結構如圖1所示。 </p><p>

4、;　　這是一臺四相反應式步進電機的典型結構。共有4套定子控制繞組，繞在徑向相對的兩個磁極上的一套繞組為一相，也就是說定子上兩個相對的大齒就是一個相，電機按照A―B―C―D―A……的順序不斷接通和斷開控制繞組，轉子就會一步一步的連續(xù)轉動。其轉速取決與各控制繞組通電和斷電的頻率，即輸入的脈沖頻率。旋轉的方向則取決與各控制繞組輪流通電的順序。 </p><p>　　三、步進電機的驅動控制 </p><

5、;p>　　步進電機不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專門的步進電機驅動控制器。步進電機和步進電機驅動器構成步進電機驅動系統。步進電機驅動系統的性能，不僅取決于步進電機自身的性能，也取決于步進電機驅動器的優(yōu)劣。 </p><p>　　步進電機的驅動方式有很多種，包括單電壓驅動、雙電壓驅動、斬波驅動、細分驅動、集成電路驅動和雙極性驅動。本設計選用的是恒頻脈寬調制細分驅動控制方式，這是在斬波恒流驅動的基礎

6、上的進一步改進，既可以使細分后的步距角均勻一致，又可以避免復雜的計算。 </p><p>　　四、恒頻脈寬調制細分電路的設計 </p><p>　　1、脈沖分配的實現 </p><p>　　在步進電機的單片機控制中，控制信號由單片機產生。它的通電換相順序嚴格按照步進電機的工作方式進行。通常我們把通電換相這一過程稱為脈沖分配。本設計中選用8713脈沖分配器芯片來進行通

7、電換相控制。 </p><p>　　2、系統控制電路設計 </p><p>　　步進電機控制系統主電路設計如圖2所示。 </p><p>　　從上圖可以看出，8713脈沖分配器的5、6、7引腳均接高電平，所以這是一個控制四相步進電機按四相八拍運行的控制電路。8751單片機的P1.0和P1.1端口分別與8713脈沖分配器的3引腳和4引腳相連。由8751單片機的P1.0

8、端提供步進脈沖，P1.1端則控制步進電機的轉向，輸出高電平，步進電機正傳；輸出低電平，步進電機反轉。單片機依然是控制的主體，它通過定時器T0輸出20kHz的方波，送D觸發(fā)器，作為恒頻信號。同時，由8713脈沖分配器的脈沖輸出端輸出的方波脈沖信號作為控制信號，它的方波電壓的每一次變化，都使轉子轉動一步。 </p><p>　　當8713脈沖分配器的脈沖輸出端輸出的方波脈沖信號Ua不變時，恒頻信號CLK的上升沿使D觸

9、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，采樣電阻上R2上壓降增加。當這個壓降大于Ua時，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。這樣的過程反復進行，使繞組電流的波頂呈鋸齒形。因為CLK的頻率較高，鋸齒形波紋會很小。 </p><p>　　當Ua上升突變

10、時，采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，上升了一個階段，但由于這里輸出的是方波信號而不是階梯信號，所以只有一個上升階段，也就是說這個“階梯信號”只包含了一個階，并沒有把每一步細分成許多步，而是令輸出脈沖信號上升和下降的坡度變大，使原本的方波輸出變的圓滑，實現了控制信號類似梯形的平滑處理，如圖3所示。 </p><p>　　同樣，當Ua下降突變時，采樣電阻上的壓降有較長時間大于Ua，比

11、較器輸出低電平，CLK的上升沿即使會讓D觸發(fā)器輸出1也馬上清零。電源始終被切斷，使電流幅值大幅下降，降到新的階段為止。 </p><p>　　以上過程重復進行。Ua每一次變化，就會使轉子轉過一個細分步。 </p><p>　　在這個電路中有一個最突出的特點，那就是用8713脈沖分配器所輸出的脈沖信號取代了典型恒頻脈寬細分電路中D/A轉換器所提供的階梯控制信號。這樣的設計極大的簡化了電路，并

12、且降低了脈沖分配的控制難度。雖然用方波信號取代了階梯波信號，使得單一相運行時的細分程度有所降低，但是由于步進電機的四相繞組是同進進行工作的，所以也可以達到了步進電機細分驅動控制的目的。 </p><p><b>　　六、結束語 </b></p><p>　　當前，步進電機的應用正不斷深入到日常生活和工業(yè)制造的各個方面，并且國內外對步進電機及其控制技術的研究也在不斷的進

13、步。這些知識的掌握在今后的工作和生活之中將會起到非常積極的影響。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] 吳守箴，臧英杰等.電氣傳動的脈寬調制控制技術[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2002. </p><p>　　[2] 王曉明.電機的單片機控制[M].北京航空航天大學出版社，2002. </p&g