步進(jìn)電機(jī)的特性及其設(shè)計選擇畢業(yè)論文

1、<p>　　簡述步進(jìn)電機(jī)的特性及其設(shè)計選擇</p><p>　　系 別： 電氣電子工程系 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>　　學(xué) 號： <

2、/p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，

3、加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速一般是改變輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖的頻率來實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，因為步進(jìn)電機(jī)每給一個脈沖就轉(zhuǎn)動一個固定的角度，這樣就可以通過控制步進(jìn)電機(jī)的一個脈沖到下一個脈沖的時間間隔來改變脈沖的頻率，延時的長短來具體控制步進(jìn)角來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。</p><p>　　關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；脈沖信號；

4、單片機(jī)</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要……………………………………………………….….……..…….I</p><p>　　1緒論……………………………………………………...……………(1)</p><p>　　2 步進(jìn)電機(jī)概述…………..………………...………………….

5、..……(2)</p><p>　　2.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)…. ………………………..………………………(2)</p><p>　　2.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理……..………………………………….….…(2)</p><p>　　2.3步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)………………..………….………….………(3)</p><p>　　2.3.1數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)抽取

6、方法………….………………………………(3)</p><p>　　2.3.2步進(jìn)電機(jī)動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語………….………………………..…..(3)</p><p>　　2.4步進(jìn)電機(jī)的分類……………………….…………………………..(4)</p><p>　　2.4.1步進(jìn)電機(jī)分為三大類…………………………..….………..……(5)</p><p&

7、gt;　　2.4.2步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)外結(jié)構(gòu)…………………………….…....…………(5)</p><p>　　3 控制方式的選擇及實現(xiàn)………………………..….…...…………..(6)</p><p>　　3.1驅(qū)動方式的確定………………………….……….…………..…....(6)</p><p>　　3.2驅(qū)動電路的選擇…………………………………….……………

8、...(9)</p><p>　　4 硬件電路的設(shè)計……………………………..………………...….(11)</p><p>　　4.1單片機(jī)的選擇………………….……….…………………………(10)</p><p>　　4.2步進(jìn)電機(jī)的選擇……………………….………………………….(11)</p><p>　　致謝………………………………

9、………….………………….……..(16)</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………….……………….………..(17) </p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)最早是在1920年由英國人所開發(fā)。1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。以后經(jīng)過不斷改良，

10、使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解性能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)用得最多。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微 電子 和 計算 機(jī)技術(shù)的 發(fā)展 ，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民 經(jīng)濟(jì) 領(lǐng)域都有

11、應(yīng)用。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。步進(jìn)電機(jī)可以直接用數(shù)字信號驅(qū)動，使用非常方便。一般電動機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進(jìn)電動機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時步進(jìn)電動機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。步進(jìn)電動機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴(yán)格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需

12、的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)還具有快速啟動、精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn)，因而在數(shù)控機(jī)床，繪圖儀，打印機(jī)以及光學(xué)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電動機(jī)已成為除直流電動機(jī)和交流電動機(jī)以外的第三類電動機(jī)。傳統(tǒng)電動機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用。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

13、100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。</p><p>　　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。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，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化

14、產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(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。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細(xì)分驅(qū)動方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。</p><p>　　2 步進(jìn)電機(jī)概述 2.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：</p><p>　　1） 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。</p><p>　　2）&

15、#160; 步進(jìn)電機(jī)外表允許的溫度高。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；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。</p><p>　　3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；

16、頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。</p><p>　　4）步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速

17、過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 </p><p>　　2.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理：</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖進(jìn)行控制 ,將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相位移的電機(jī) ,其機(jī)械位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機(jī)繞組的脈沖個數(shù)和脈沖頻率成正比 ,每一個脈沖信號可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個固定的角度.脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度 ,脈沖的頻率決定了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速

18、度.當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(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^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。</p><p>　　2.3步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)：</p><p>　　2.3.1步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)</p>

19、<p><b>　　1)空載啟動頻率:</b></p><p>　　即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。</p><p>　　2)

20、電機(jī)固有步距角： </p><p>　　它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。電機(jī)出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為‘電機(jī) 固有步距角’， 它不一定是電機(jī)實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。</p><p&

21、gt;　　3)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)： </p><p>　　是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。在沒有細(xì)分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，則‘

22、相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。</p><p>　　4)保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING  TORQUE）：是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力 矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N

23、.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。 TC \* MERGEFORMAT </p><p>　　2.3.2步進(jìn)電機(jī)動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：</p><p>　　1)步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時應(yīng)在15%以內(nèi)。 </p>&l

24、t;p>　　2)失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 </p><p>　　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)動是不能解決的。 </p><p>　　4)最大空載起動頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 </p><p>　

25、　5)最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 </p><p>　　6)運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩特性，這是電機(jī)諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。如下 圖1所示： 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

26、在400pps左右（步距角為0.9度），電機(jī)驅(qū)動電壓越高，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。</p><p>　　其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定而動態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時的平均電流（而非靜態(tài)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

27、。如下圖2所示：</p><p>　　圖1力矩頻率曲線 圖2 力矩頻率特性曲線</p><p>　　其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。2.4步進(jìn)電機(jī)的分類 </p><p>　　2.4.1 步進(jìn)電機(jī)分為三大類 ：

28、 </p><p>　　1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VAriABle ReluCtAnCe，簡稱 VR）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類型。 </p><p>　　2)永磁式步進(jìn)電機(jī)（PermAnent MAgnet），簡稱 PM永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁

29、源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步進(jìn)角比較大，它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率?。ㄏ啾确磻?yīng)式），但啟動運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電。 </p><p>　　3)混合式步進(jìn)電機(jī)（HyBrid，簡稱 HB） 混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，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

30、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，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)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機(jī)最初是作為一種低速驅(qū)動用的交流同步機(jī)設(shè)計的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機(jī)也能做步進(jìn)增量運(yùn)動。由于能夠開環(huán)運(yùn)行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機(jī)在 工業(yè) 領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 </p><p>　　2.4.2步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)外結(jié)構(gòu) </p><p>　

31、　步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。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），</p><p>　　電動機(jī)定子鐵心和一般電機(jī)一樣由硅鋼片疊成，鐵心內(nèi)孔表面有開口槽。轉(zhuǎn)子裝有一個軸向磁化永磁體用以產(chǎn)生一個單向磁場。永磁體產(chǎn)生的磁通，在每一個氣隙圓周上都是單方向通過氣隙的，這時作用在氣隙中的磁勢是同極性的，稱為單極磁勢。而轉(zhuǎn)子包括兩段，

32、一段經(jīng)永磁體磁化成N 極，另一段磁化為S 極，每段轉(zhuǎn)子齒以一個齒距間隔均勻分布，但兩段轉(zhuǎn)子的齒相互錯開1/2 個轉(zhuǎn)子齒距。A) N 極段截面圖 B) S 極段截面圖如圖3所示:</p><p>　　A) N 極段截面圖 B) S 極段截面圖</p><p>　　圖3 三相混合式步進(jìn)電機(jī)截面圖</p><p>　　TC \* MERGEFORMAT 1.5 步進(jìn)電機(jī)詳

33、細(xì)調(diào)速原理：</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速一般是改變輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖的頻率來實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，因為步進(jìn)電機(jī)每給一個脈沖就轉(zhuǎn)動一個固定的角度，這樣就可以通過控制步進(jìn)電機(jī)的一個脈沖到下一個脈沖的時間間隔來改變脈沖的頻率，延時的長短來具體控制步進(jìn)角來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)步進(jìn)電的調(diào)速。具體的延時時間可以通過軟件來實現(xiàn)。</p><p>　　這就需要采用單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制,

34、實際上就是改變輸出脈沖的時間間隔,單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)加減法運(yùn)轉(zhuǎn)可實現(xiàn)的方法有軟件和硬件兩種 ,軟件方法指的是依靠延時程序來改變脈沖輸出的頻率,其中延時的長短是動態(tài)的,軟件法在電機(jī)控制中, 要不停地產(chǎn)生控制脈沖, 占用了大量的CPU 時間,使單片機(jī)無法同時進(jìn)行其他工作;硬件方法是依靠單片機(jī)內(nèi)部的定時器來實現(xiàn)的,在每次進(jìn)入定時中斷后,改變定時常數(shù),從而升速時使脈沖頻率逐漸增大,減速時使脈沖頻率逐漸減小,這種方法占用CPU 時間較少,在各種單

35、片機(jī)中都能實現(xiàn),是一種比較實用的調(diào)速方法。</p><p>　　3控制方式的選擇及實現(xiàn)</p><p>　　3.1 驅(qū)動方式的確定</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)控制雖然是一個比較精確的，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在采用單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的CP脈沖的頻率或者換向周期實際上就是控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實現(xiàn)步進(jìn)

36、電機(jī)的速度控制。一種是延時，一種是定時。延時方法是在每次換向之后調(diào)用一個延時子程序，待延時結(jié)束后再次執(zhí)行換向，這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的CP脈沖或換向周期。延時子程序的延時時間與換向程序所用的時間和，就是CP脈沖的周期，該方法簡單，占用資源少，全部由軟件實現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實現(xiàn)不同速度的運(yùn)行。但占用CPU時間長，不能在運(yùn)行時處理其他工作。因此只適合較簡單的控制過程。定時方法是利用單片機(jī)系統(tǒng)中的定時器定時功能產(chǎn)生任意周期的定時信

37、號，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出CP脈沖的周期。當(dāng)定時器啟動后，定時器從裝載的初值開始對系統(tǒng)及其周期進(jìn)行加計數(shù)，當(dāng)定時器溢出時，定時器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時中斷子程序。將電機(jī)換向子程序放在定時中斷服務(wù)程序中，定時中斷一次，電機(jī)換向一次，從而實現(xiàn)電機(jī)的速度控制。由于從定時器裝載完重新啟動開始至定時器申請中斷止，有一定的時間間隔，造成定時時間增加</p><p>　　1) 步進(jìn)確認(rèn)，這是最簡單的位移控制，使用一個低值

38、的光學(xué)編碼器計算步進(jìn)移動的數(shù)量。一個簡單的回路與指令校驗的步進(jìn)電機(jī)比較，驗證步進(jìn)電機(jī)移動到預(yù)計的位置；</p><p>　　2) 反電動勢, 一種無傳感器的檢測方法，使用步進(jìn)電機(jī)的反電動勢（eleCtromotiveforCe，emf）信號，測量和控制速度。當(dāng)反電動勢電壓降至監(jiān)測探測水平時，閉環(huán)控制轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)開環(huán)，完成最終的位移移動；</p><p>　　3）全伺服控制，指全時間的使用反饋設(shè)

39、備，用于步進(jìn)電機(jī)--編碼器、解碼器、或其它反饋傳感器上，從而更為精確地控制步進(jìn)電機(jī)位移和轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　其它的方法包括各種不同的反電動勢控制電機(jī)參數(shù)測量和軟件技術(shù)，一些制造 企業(yè) 都會使用這些方法。這里，步進(jìn)驅(qū)動監(jiān)控和測量電機(jī)線圈，使用電壓額電流信息提高步進(jìn)電機(jī)控制。正阻尼使用這一信息阻擋振動的速度，產(chǎn)生更多的可用的轉(zhuǎn)矩輸出，降低轉(zhuǎn)矩的機(jī)械振動損耗。無編碼器安裝監(jiān)測采用信息檢測同步速度的損耗。<

40、/p><p>　　傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制通常采用反饋設(shè)備和非傳感方法，是有效的實現(xiàn)帶有安全需求、危險狀況或高精確度要求的運(yùn)動應(yīng)用的方法。    大多數(shù)基于步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)，一般都運(yùn)行在開環(huán)狀態(tài)下，這樣可提供一個低成本的方案。 事實上，步進(jìn)系統(tǒng)可提高位移控制的的性能，且不需要反饋。但是，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在開環(huán)時運(yùn)行，在命令步幅和實際步幅之間會有同步損耗的可能。    閉環(huán)控制，是傳統(tǒng)步進(jìn)控

41、制的一個部分，能有效地提供更高地可靠性、安全性或產(chǎn)品質(zhì)量。在這些步進(jìn)系統(tǒng)中，反饋設(shè)備或間接參數(shù)傳感方法的閉環(huán)能進(jìn)行校正或控制失步、監(jiān)測電機(jī)停滯，以及確保更大的可用轉(zhuǎn)矩輸出。近期，步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制（CLC）還能幫助執(zhí)行智能分布運(yùn)動架構(gòu)。然而，開環(huán)操作會有失步的風(fēng)險，這將產(chǎn)生定位失誤。但與伺服系統(tǒng)中使用的編碼器相比，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)采用的編碼器成本更低。故選擇閉環(huán)控制。　</p><p>　　并于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動一般有兩

42、種方法，一種是通過CPU直接來驅(qū)動，這種方法一般不宜采用，因為CPU的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動；別一種是通過CPU來間接驅(qū)動，就是把從CPU輸出的信號進(jìn)行放大，然后直接驅(qū)動或是再通過光電隔離間接來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，這種方法比較安全可靠。固本次設(shè)計應(yīng)采用CPU間接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。用編碼器還的測速發(fā)電機(jī)作為轉(zhuǎn)速測量工具,因為選擇了閉環(huán)控制，就必須有反饋元件，反饋元件一般有兩種，一種是采用同軸的測速發(fā)電機(jī)，把步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反

43、饋回來，然后通過顯示器顯示出來并對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)；別一種是通過光同軸的電編碼器把步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋回來對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)；兩者相比，后者的設(shè)計比較簡單，價格便宜，安全可靠，污染少。固一般采用后者，用光電騙碼器作為反饋元件。</p><p>　　3.2  驅(qū)動電路的選擇</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電機(jī)有多種，但最為常用的就是單電壓驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動、斬波驅(qū)動、細(xì)分控制驅(qū)動等

44、。單電壓驅(qū)動是步進(jìn)電機(jī)控制中最為簡單的一種驅(qū)動電路，它在本質(zhì)上是一個單間的反相器。它的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，因它的工作效率低，特別是在高頻下更顯的突出。它的外接電阻R要消耗相當(dāng)一部分的熱量，這樣就會影響電路的穩(wěn)定性所以此種驅(qū)動方式一般只用在小功率的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路中。雙電壓驅(qū)動是電路一般采用兩種電源電壓來驅(qū)動，因這兩個電源分別是一個為高壓一個為低壓，因此也稱為高低壓驅(qū)動電路。雙電壓驅(qū)動電路的缺點(diǎn)是在高低壓連接處電流出現(xiàn)谷點(diǎn)，這樣必然引起

45、力矩在谷點(diǎn)處下降。不宜于電機(jī)的正常運(yùn)行。對于斬波電路驅(qū)動則可以克服這種缺點(diǎn)，并且還可以提高步進(jìn)電機(jī)的效率。所以從提高效率來看這是一種很好的驅(qū)動電路，它可以用較高的電源電壓，同時無需外接電阻來限定期額定電流和減少時間常數(shù)。但由于其波形頂部呈現(xiàn)鋸齒形波動，所以會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。細(xì)分驅(qū)動是用脈沖電壓來供電的，對于一個電壓脈沖，轉(zhuǎn)子就可以轉(zhuǎn)動一步，一般會根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞阻會輪流切換，固可以使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。細(xì)分控制

46、的電路一般分為兩類，一類是采用</p><p><b>　　4硬件電路的設(shè)計</b></p><p><b>　　4.1單片機(jī)的選擇</b></p><p>　　本次設(shè)計以CPU選用89C5l作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片．89C51的結(jié)構(gòu)簡單并可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上．使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且完全兼容MCS5l系

47、列單片機(jī)的所有功能。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為

48、很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案 4.1.1單片機(jī)的引腳功能: 1）VCC（40）：電源+5V。 </p><p>　　2）VSS（20）：接地，也就是GND。</p><p>　　3）XTL1（19）和XTL2（18）：振蕩電路。   單片機(jī)是一種時序電路，必須有脈沖信號才能工作，在它的內(nèi)部有一個時鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩

49、方式，只要接上兩個電容和一個晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時，需在XTL2上加外部時鐘信號。 4）PSEN（29）：片外ROM選通信號，低電平有效。 5）ALE/PROG（30）：地址鎖存信號輸出端/EPROM編程脈沖輸入端。 6）RST/VPD（9）：復(fù)位信號輸入端/備用電源輸入端。 7）EA/VPP（31）：內(nèi)/外部ROM選擇 端     

50、                          8）P0口（39-32）：雙向I/O口。9．P1口（1-8）：準(zhǔn)雙向通用I/0口。 9）P2口（21-28）：準(zhǔn)雙向I/0口。原理圖如

51、下圖4所示：</p><p>　　圖4 AT89C51管腳圖</p><p>　　4.1.2  主要特性： 　　與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個16位定時器/計數(shù)器、5個中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和

52、時鐘電路 </p><p>　　1) 振蕩器特性：　　XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。</p><p>　　2) 芯片擦除：　　整個PEROM陣

53、列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件

54、復(fù)位為止。</p><p>　　4.2  步進(jìn)電機(jī)的選擇 </p><p>　　因本次設(shè)計的要求，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)選用三相三拍的步進(jìn)電機(jī)，關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的具體說明如下；</p><p>　　反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)是利用凸極轉(zhuǎn)子交軸磁阻與直軸磁阻之差所產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動的所以也稱為磁阻式步進(jìn)電動機(jī)現(xiàn)以一個最簡單的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)為例說明其工作原理.</p&g

55、t;<p>　　圖5是一臺三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的原理圖定子鐵芯為凸極式共有三對六個磁極每兩個相對的磁極上繞有一相控制繞組轉(zhuǎn)子用軟磁性材料制成也是凸極結(jié)構(gòu)只有四個齒齒寬等于定子的極靴寬下面通過幾種基本的控制方式來說明其工作原理。</p><p>　　圖5三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的原理圖</p><p>　　4.2.1  三相單三拍通電方式</p><p

56、>　　當(dāng)A 相控制繞組通電,其余兩相均不通電,電機(jī)內(nèi)建立以定子A 相極為軸線的磁場.由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn),使轉(zhuǎn)子齒1, 3 的軸線與定子A 相極軸線對齊,如圖5(A)所示.若A 相控制繞組斷電,B 相控制繞組通電時,轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下,逆時針方向轉(zhuǎn)過30,°使轉(zhuǎn)子齒2,4 的軸線與定子B 相極軸線對齊,即轉(zhuǎn)子走了一步,如圖5(B)所示, 若再斷開B相,使C相控制繞組通電,轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過30° 使

57、轉(zhuǎn)子齒1,3 的軸線與定子C相極軸線對齊,如圖5(C)所示.如此按A-B–C-A 的順序輪流通電,轉(zhuǎn)子就會一步一步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動,其轉(zhuǎn)速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率,旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序若按A-C-B-A 的順序通電,則電機(jī)按順時針反方向轉(zhuǎn)動。</p><p>　　上述通電方式稱為三相單三拍運(yùn)行，”三相”是指三相步進(jìn)電動機(jī)，”單”是指每次只有一相控制繞組通電，控制繞組每改變一次通電方式稱

58、為一拍，三拍是指經(jīng)過三次改變通電方式為一個循環(huán)，我們稱每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為步距角.三相單三拍運(yùn)行時的步距角為30度。其原理圖如5所示：</p><p>　　4.2.2 三相雙三拍通電方式                   

59、                 </p><p>　　控制繞組的通電方式為AB-BC-CA-AB 或AB-CA-BC-AB 每拍同時有兩相繞組通電三拍為一個循環(huán)，當(dāng)A B 兩相控制繞組同時通電時轉(zhuǎn)子齒的位置應(yīng)同時考慮到兩對定子極的作用，只有A 相極和B 相極對轉(zhuǎn)子

60、齒所產(chǎn)生的磁拉力相平衡才是轉(zhuǎn)子的平衡位置如6B 所示，可見雙三拍運(yùn)行時的步距角仍是30°,但雙三拍運(yùn)行時每一拍總有一相繞組持續(xù)通電，例如由A B 兩相通電變?yōu)锽 C 兩相通電時，B 相保持持續(xù)通電狀態(tài)C 相磁拉力圖使轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動，而B 相磁拉力卻起有阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動的作用。即起到一定的電磁阻尼作用所以電機(jī)工作比較平穩(wěn)，而在三相單三拍運(yùn)行時由于沒有這種阻尼作用，所以轉(zhuǎn)子達(dá)到新的平衡位置容易產(chǎn)生振蕩穩(wěn)定性不如雙三拍運(yùn)行方

61、式。三相雙三拍運(yùn)行方式AB相與BC相導(dǎo)通的結(jié)構(gòu)如圖6所示：</p><p>　　(A)AB 相導(dǎo)通             (B)BC 相導(dǎo)通</p><p>　　圖6   三相雙三拍運(yùn)行方式</p><p>　　在分析步進(jìn)電動機(jī)動態(tài)運(yùn)行時

62、，不僅要知道某一相控制繞組通電時的矩角特性，而且要知道整個運(yùn)行過程中各相控制繞組通電狀態(tài)下的矩角特性，即所謂矩角特性族以三相單三拍的通電方式為例，若將失調(diào)角θ的坐標(biāo)軸統(tǒng)一取在A 相磁極的軸線上，顯然A 相通電時矩角特性如圖7中曲線A 所示穩(wěn)定平衡點(diǎn)為O，點(diǎn)B 相通電時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/3 齒距相當(dāng)于轉(zhuǎn)過2π/3 電角度,它的穩(wěn)4-3中曲線C, 這三條曲線就構(gòu)成了三相單三拍通電方式時的矩角特性族總之矩角特性族中的每一條曲線依次錯開一個用電角度表

63、示的步矩角 \* MERGEFORMAT  \* MERGEFORMAT \* MERGEFORMAT                           &#

64、160;       </p><p>　　同理可得到三相單雙六拍通電方式時的矩角特性族如圖8所示：</p><p>　　圖7三拍時的矩角特性族</p><p>　　圖8六拍時的矩角特性族</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)特性是指步進(jìn)電動機(jī)在運(yùn)行過程中的特性它直接影響系統(tǒng)工作的可靠

65、性和系統(tǒng)的快速反應(yīng)。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本課題在選題及研究過程中得到鄭小梅老師的悉心指導(dǎo)。 老師多次詢問研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵。劉天才老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時三載，卻終生受益。對各位老師的感激之情是無法用言語表達(dá)的。&l

66、t;/p><p>　　感謝 老師等對我的教育培養(yǎng)。他們細(xì)心指導(dǎo)我的學(xué)習(xí)與研究，在此，我要向諸位老師深深地鞠上一躬。</p><p>　　感謝我 三年來對我學(xué)習(xí)、生活的關(guān)心和幫助。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?。?］ 國家電網(wǎng)公司. 建設(shè)統(tǒng)一堅強(qiáng)智能電網(wǎng)［R］.

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