【畢業(yè)學(xué)位論文】(Word原稿)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用設(shè)計(jì)研究-控制理論與工程技術(shù)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用設(shè)計(jì)研究 摘要 關(guān)鍵字 : 步進(jìn)電機(jī)、 細(xì)分驅(qū)動(dòng) 、芯片顯微自動(dòng)拍照 目 錄 第一章 緒論 . 3 步進(jìn)電機(jī)概述 . 3 步進(jìn)電機(jī)工作原理 . 5 阻式步進(jìn)電機(jī) . 5 磁式步進(jìn)電機(jī) . 6 合式步進(jìn) 電機(jī) . 7 國內(nèi)外發(fā)展概況與趨勢(shì) . 9 關(guān)鍵技術(shù)問題 . 10 正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù) . 11 沖寬度調(diào)制技術(shù) . 12 降頻控制技術(shù) . 12 論文的工作內(nèi)容 . 13 第二章 兩相永磁式步進(jìn)電機(jī)測(cè)試儀器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) . 14 體介紹 . 14 動(dòng)方式 . 15 磁方式 . 15 試流程 . 16 件設(shè)計(jì) . 17 源模塊 . 17 片機(jī)模塊 . 18 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 . 19 鍵 及液晶顯示模塊 . 21 件設(shè)計(jì) . 22 單界面 . 23 測(cè)試流程的實(shí)現(xiàn) . 24 計(jì)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)測(cè)試 . 25 本章小結(jié) . 27 第三章 五相 混合式 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的開發(fā)設(shè)計(jì) . 28 體介紹 . 28 動(dòng)器輸入信號(hào) . 29 五相勵(lì)磁方式 . 30 波恒總流功率放大 . 31 件設(shè)計(jì) . 34 動(dòng)電路 . 34 耦隔離電路 . 35 圍電路 . 36 源管理電路 . 37 件設(shè)計(jì) . 38 件開發(fā)環(huán)境 . 38 程序設(shè)計(jì) . 39 驗(yàn)測(cè)試 . 40 章小結(jié) . 41 第四章 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)三維細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) . 42 體介紹 . 42 系統(tǒng)框圖 . 43 正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng) . 43 功能 介紹 . 45 件設(shè)計(jì) . 46 圍電路 . 47 流斬波驅(qū)動(dòng)電路 . 48 A 轉(zhuǎn)換 電路 . 51 鍵檢測(cè)電路 . 52 件設(shè)計(jì) . 53 4. 3. 1 發(fā)環(huán)境 . 54 弦細(xì)分控制 . 55 降速控制 . 57 訊協(xié)議設(shè)計(jì) . 59 格式 . 59 訊行為 . 60 能定義 . 61 驗(yàn)測(cè)試 . 63 章小結(jié) . 66 第五章 議轉(zhuǎn)換模塊的開發(fā)設(shè)計(jì) . 67 紹 . 67 線 . 67 線 . 68 案設(shè)計(jì) . 69 于 通信方案 . 69 議轉(zhuǎn)換模塊 . 71 議轉(zhuǎn)換模塊 . 72 件設(shè)計(jì) . 73 路設(shè)計(jì) . 73 路設(shè)計(jì) . 75 件設(shè)計(jì) . 75 發(fā)環(huán)境介紹 . 76 序設(shè)計(jì) . 76 章小結(jié) . 78 第六章 芯片顯微自動(dòng)拍照系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) . 79 用背景 . 79 統(tǒng)總體設(shè)計(jì) . 79 統(tǒng)構(gòu)成 . 79 作流程 . 80 動(dòng)控制模塊 . 81 像獲取模塊 . 83 章小結(jié) . 87 第七章 工作總結(jié)與展望 . 87 參考文獻(xiàn) . 87 致謝 . 89 附錄 . 89 第一章 緒論 步進(jìn)電機(jī) 是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械角位移或者線位移的控制電機(jī) , 它能夠在不涉及復(fù)雜反饋環(huán)路的情況下實(shí)現(xiàn)良好的定位精度，并 由于具有價(jià)格低廉、易于控制、無積累誤差等優(yōu)點(diǎn) ,在 民用、工業(yè)用的經(jīng)濟(jì)型 數(shù)控定位 系統(tǒng) 中獲得了廣泛的應(yīng)用 ,具有較高的實(shí)用價(jià)值 。 為了強(qiáng)調(diào)本論文的實(shí)用性及可行性，本章綜述了步進(jìn)電機(jī)的各種特性； 說明 了步進(jìn)電機(jī)的 構(gòu)造、 工作原理 及驅(qū)動(dòng)； 回顧了步進(jìn)電機(jī)在國 內(nèi)外發(fā)展及應(yīng)用的概況；分析了本論文所要重點(diǎn)研究的 弦脈沖寬度調(diào)制 )細(xì)分驅(qū)動(dòng)、及升降頻運(yùn)動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)；最后， 介紹 了本論文的研究?jī)?nèi)容以及其它章節(jié)的結(jié)構(gòu)安排。 步進(jìn)電機(jī)概述 基于 電機(jī) 的運(yùn)動(dòng) 控制 技術(shù) 作為自動(dòng)化領(lǐng)域的關(guān)鍵部分，在國民經(jīng)濟(jì)當(dāng)中起著重要的作用。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步， 尤其 是 集成電路、電力電子器件、自動(dòng)化控制理論等方面的進(jìn)展 ，電機(jī)在其實(shí)際應(yīng)用中 已由過去簡(jiǎn)單地 控制 轉(zhuǎn)動(dòng)停止、以 提供動(dòng)力為目的應(yīng)用上升到對(duì)速度、 加速度、 位移和轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行精確控制階段，以便 使被驅(qū)動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng) 準(zhǔn)確 符合預(yù)想的要求。 步進(jìn)電機(jī)正好能夠很好地符合這種需求，它是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換控制電機(jī)。通常所說的步進(jìn)電機(jī)一般是指機(jī)電一體化設(shè)備包括步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接受到一個(gè)脈沖之后就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度即步距角。步進(jìn)電機(jī)不像其它電機(jī)那樣連續(xù)旋轉(zhuǎn)而是以 一 定的步距角一步一步做增量運(yùn)動(dòng)因此而得名。所以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移，達(dá)到精確定位的目的；同時(shí)也可以通過控制脈沖的頻率來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度，達(dá)到調(diào)速的目的。除此之外步進(jìn)電機(jī)還具有以下一些優(yōu)點(diǎn) 16： （ 1）無刷：步進(jìn)電機(jī)是無刷結(jié)構(gòu)電機(jī)，與帶有換向器和電刷等易損部件 的傳統(tǒng)有刷電機(jī)相比而言可靠性更高； （ 2）與負(fù)載無關(guān)：不超載時(shí)步進(jìn)電機(jī)能夠按照設(shè)定的速度運(yùn)行； （ 3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快：易于啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)； （ 4）保持轉(zhuǎn)矩： 停止時(shí)能夠自鎖； （ 5）無累積誤差：雖然步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步的角位移與標(biāo)稱的步距角具 有一定的誤差（ 35%），但是轉(zhuǎn)動(dòng)一周后累積的誤差和為零。 （ 6）步距角與環(huán)境無關(guān)：步進(jìn)電機(jī)的固有步距角是由本身構(gòu)造決定的，與溫度、電壓、電流等使用環(huán)境無關(guān)。 （ 7）易于控制：只需控 制脈沖的頻率和個(gè)數(shù)，即可達(dá)到定位、調(diào)速目的。 （ 8）價(jià)格低廉：步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于同樣用于定位領(lǐng)域交、直流伺服電機(jī)而言 具有較高的性價(jià)比。 正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，使得由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成的開環(huán)數(shù)控定位系統(tǒng)，既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定可靠地工作。與同樣應(yīng)用于定位領(lǐng)域的交、直流伺服電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)伺服系統(tǒng)相比較而言，主要優(yōu)勢(shì)在于性價(jià)比高和驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單，但是性能上卻具有以下明顯的不足之處 16： （ 1）低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲都比較大； （ 2）輸出力矩隨著轉(zhuǎn)動(dòng)速度的升高而降低； （ 3）啟動(dòng)頻 率不能太高，否則會(huì)堵轉(zhuǎn)并伴隨有呼嘯聲； （ 4）速度突變較大時(shí)存在丟步和過沖現(xiàn)象； （ 5）最高運(yùn)動(dòng)速度較低，且高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸出力矩小。 （ 6）開環(huán)控制，不能保證實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與設(shè)想的完全一致。 雖然步進(jìn)電機(jī)有這些缺點(diǎn)，但是并不影響其在經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控裝置上的使用。現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī) 主要有 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī) 和 混合式步進(jìn)電機(jī)。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 或 15度 ，振動(dòng)和噪音小 ；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 噪聲和振動(dòng)都很大 ； 混合式 步進(jìn)電機(jī)混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn) ，步距角小、轉(zhuǎn)矩大且振動(dòng)、噪音小， 它 主要 又分為兩相和五相：兩相步 距 角一般為 步進(jìn)電機(jī)工作原理 目前步進(jìn)電機(jī)的種類繁多，性能特點(diǎn)也各有差異，但按照基本構(gòu)造和工作原理可分為三種類型：磁阻式 (亦稱反應(yīng)式 )，即 永磁式（亦稱爪極式），即 混合式，即 以下將就這三種類型步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造以及基本驅(qū)動(dòng)原理做簡(jiǎn)要的描述。 阻式步進(jìn)電機(jī) 磁阻式步進(jìn)電機(jī)通常也可稱為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其 定 轉(zhuǎn)子 均采用齒狀結(jié)構(gòu) ，定子每個(gè)極上都繞有線圈， 轉(zhuǎn)子 則 是由軟 鐵 材料制成的 。其基本原理是繞組通電勵(lì)磁之后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩迫使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到磁通路徑磁阻最小的位置。為了更好的說明磁阻式步進(jìn)電機(jī)的工作原理，圖 2展示了簡(jiǎn)化的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其定子上有八個(gè)極，轉(zhuǎn)子只有四個(gè)小齒，步距角為 30。當(dāng)繞組 1通電時(shí)，為了保持其磁通路徑磁阻最小，將產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩迫使 著若繞組 1斷電、繞組 2通電，則轉(zhuǎn)子將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)使得 對(duì)齊保持磁通路徑磁阻最小。實(shí)際上的步進(jìn) 電機(jī)可通過增加定子極數(shù)或者轉(zhuǎn)子的齒數(shù)來減少步距角，例如圖 1所示的是四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的橫截面示意圖，其定子上有八個(gè)極，每個(gè)極上分布有5個(gè)小齒， 轉(zhuǎn)子 有 50個(gè)小齒，步距角為 圖 1 四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)橫截面示意圖 圖 2 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)示意圖 5 磁式步進(jìn)電機(jī) 圖 3 永磁式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 7 如圖 3所示，永磁式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子為 于定子極沖制成爪型因而又名爪極式步進(jìn)電機(jī)。其基本工作原理是轉(zhuǎn)子上的永磁體建立的磁場(chǎng)和定子繞組電流激勵(lì)的磁場(chǎng)相互作用，形成的同性相斥、異性相吸的電磁轉(zhuǎn)矩，當(dāng)繞組勵(lì)磁產(chǎn)生的合磁場(chǎng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子也會(huì)跟著同步轉(zhuǎn)動(dòng)起來。如圖 4所示 圖 4 兩相永磁式步進(jìn)電機(jī)實(shí)物解剖圖 永磁式步進(jìn)電機(jī)的定子 是 由 繞滿漆包線的注塑骨架套在爪極板上 構(gòu)成的，當(dāng)繞組通電勵(lì)磁后定子上爪極就會(huì)被磁化為 極，從而與轉(zhuǎn)子的 極相互作用形成電磁轉(zhuǎn)矩 。 永磁式步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)來說，具有控制功率小、振動(dòng)和噪音小的優(yōu)點(diǎn)，但是由于其定子極數(shù)和轉(zhuǎn)子極數(shù)相同，且轉(zhuǎn)子永磁體要制成 而其步距角一般比較大。 合式步進(jìn)電機(jī) 混合式 步進(jìn)電機(jī)定 子、 轉(zhuǎn)子鐵芯均為齒狀結(jié)構(gòu)同反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) 非常相似， 但是其轉(zhuǎn)子帶有永久磁鋼具備永磁體的特性， 所以混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可看作 圖 6所示的混合式步進(jìn)電機(jī)的詳細(xì)的結(jié)構(gòu)示意題圖，圖 5則是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物解剖圖。從這兩個(gè)圖中可以看出混合式步進(jìn)電機(jī)的定子是多個(gè)帶有小齒且繞有線圈的極子構(gòu)成的，這個(gè)可以說和反 應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是相同的 ，而轉(zhuǎn)子則是由左右兩邊帶有小齒的鐵芯以及中間的 永久磁鋼構(gòu)成，左右兩個(gè)鐵芯一邊呈現(xiàn) 極且相互錯(cuò)開 1/2個(gè)小齒齒距以 圖 5 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)實(shí)物解剖圖 9 圖 6 混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 8 便形成跟永磁式步進(jìn)電機(jī)類似的 N、 S 相間磁極。混合式步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理和永磁式步進(jìn)電機(jī)一樣，是靠繞組通電之后激勵(lì)的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子固有的磁場(chǎng)進(jìn)行同性相斥、異性相吸的相互作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩促使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)定子繞組激勵(lì)的合磁場(chǎng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)定子也同步旋轉(zhuǎn)。目前步進(jìn)電機(jī)主要以定子 8 極、轉(zhuǎn)子 50齒的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)和定子 10 極轉(zhuǎn)子 50 齒的五相混合步進(jìn)電機(jī)為主，圖 7和圖 8 為各自的橫截面示意圖。 圖 7 五相混合式步進(jìn)電機(jī)橫截面示意圖 8 圖 8 兩 相混合式步進(jìn)電機(jī)橫截面示意圖 10 國內(nèi)外發(fā)展概況與趨勢(shì) 步進(jìn)電機(jī)問世以后很快就確定了開環(huán)高分辨率數(shù)控定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，在工業(yè)上的應(yīng)用發(fā)展至今已有 30多年的歷史，還沒有找到更合適的替代產(chǎn)品，而且已經(jīng)成為除了交直流電機(jī)外的第三大類電機(jī) 11。在其發(fā)展歷程中，出現(xiàn)了多種類型步進(jìn)電機(jī)，按照基本的構(gòu)造和工作原理可分為三大類型即磁阻式、永磁式和混合式。在日本和西方等發(fā)達(dá)國 家早期都是研制和應(yīng)用磁阻式步進(jìn)電機(jī)， 但是 由于固有的能量利用率低、振動(dòng)和噪音大等缺點(diǎn)逐步被淘汰掉 ,目前在國外幾乎沒有了 僅僅在某些場(chǎng)合例如在溫度很高的核反應(yīng)堆中或者需要電動(dòng)機(jī)的 不通電的情況下 定位力矩為零的時(shí)候才使 用 12；永磁式步進(jìn)電機(jī)則由于轉(zhuǎn)子永磁體加工方面的限制步距角一般較大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)分辨率比較受限，但是由于采用了低成本的爪極式結(jié)構(gòu)使得其制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格較低，容易快速批量生產(chǎn)，因而廣泛應(yīng)用于對(duì)性能要求不高的場(chǎng)合；混合式步進(jìn)電機(jī)則具備了反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和永磁式步進(jìn)電機(jī) 的 優(yōu)點(diǎn)，成為 工業(yè)自動(dòng)化 等性能要求較高 應(yīng) 用場(chǎng)合的主流 ，它剛開始和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一同發(fā)展起來，后來逐步用于替代反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。在步進(jìn)電機(jī) 30多年的發(fā)展過程中，按照相數(shù)、步距角以及機(jī)座等劃分，可以說出現(xiàn)過的步進(jìn)電機(jī)的規(guī)格品種極其繁多，然而這種狀態(tài)不利于步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，隨著時(shí)間的推移目前逐步形成了相應(yīng)的主流產(chǎn)品，在西方可以明顯看出 最大量應(yīng)用的是定子 8 極轉(zhuǎn)子 50 齒的二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) , 其次是定子 10 極轉(zhuǎn)子 50 齒的五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 13。 在我國 ,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的 研究 始于 1958年 ， 當(dāng)時(shí)只有清華大學(xué) ,華中理工大學(xué)等少數(shù)高等院校在從事這項(xiàng)工 作。 60年代受蘇聯(lián)的影響，主要以三相磁阻式步進(jìn)電機(jī)為主。 70年代我國研制快走絲數(shù)控線切割機(jī)、數(shù)控機(jī)床等數(shù)控設(shè)備的需求對(duì)步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展起了很大的促進(jìn)作用。當(dāng)時(shí)受到蘇聯(lián)、日本等工業(yè)較發(fā)達(dá)國家的影響，國內(nèi)開始自行研制磁阻式步進(jìn)電機(jī)的系列產(chǎn)品。 70年代末形成了 以定子 6 個(gè)極、轉(zhuǎn)子 40 齒的三相磁阻式電動(dòng)機(jī)為主 , 另外 還有定子 10 個(gè)極、轉(zhuǎn)子 100 齒的五相磁阻式電動(dòng)機(jī) 等共存的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用局面 。 可以說，我國 80年代以前一直以磁阻式步進(jìn)電機(jī)為主 ,80年代初開始注意發(fā)展混合式步進(jìn)電機(jī)，剛開始主要也是發(fā)展定子 8個(gè)極、轉(zhuǎn)子 50齒的兩相（四相）混合式步進(jìn)電機(jī)，后來又于 1987年 開始自行設(shè)計(jì)定子 10 極、轉(zhuǎn)子 50 齒的五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) , 同時(shí)為了與磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角 保持 一致還發(fā)展了一些不同于國外的非典型產(chǎn)品 。雖然經(jīng)過80年代的努力，我國混合式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)包括制造技術(shù)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)都與國外水平接近，但是由于我國工業(yè)起步較晚且發(fā)展之初廣泛采用了磁阻式步進(jìn)電機(jī) ， 產(chǎn)品更新?lián)Q代沒那么快，同時(shí)磁阻式步進(jìn)電機(jī)雖然效率低、振動(dòng)和噪音大但是由于堅(jiān)固耐用、驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)成熟、 價(jià)格較低 ，仍然很受國內(nèi)中小企業(yè)的歡迎，因此我國步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)與國外不同仍 然以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主。 1214 步進(jìn)電機(jī) 制造 技術(shù)雖然在上世紀(jì) 80 年代已完全成熟，但是其性能指標(biāo)仍在不斷地提高 14。做為主流 類型 的混合式步進(jìn)電機(jī)仍朝著以下幾個(gè)趨勢(shì)發(fā)展 12：（ 1）小型化；（ 2）改圓形為方形，以提高力矩 密度 ；（ 3）綜合設(shè)計(jì)，集成位置傳感器、變速齒輪等裝置；（ 4）向五相及三相發(fā)展。 在驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)方面， 專用芯片、 單片機(jī)、復(fù)雜可編程邏輯器件 ( 數(shù)字信號(hào)處理器件（ 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (在步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng) 中 的應(yīng)用，使得各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)如斬波恒流、細(xì)分驅(qū)動(dòng) 以及升降頻控制的 實(shí)現(xiàn)更加容 易， 從而促使 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)、響應(yīng)速度更快、定位精度更高。 此外，雖然步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于開環(huán)定位系統(tǒng)中，但是如果輔之以先進(jìn)的檢測(cè)反饋 元 件（如光柵編碼器）組成高精度的閉環(huán)定位系統(tǒng)，能夠達(dá)到 更 高的定位精度。 關(guān)鍵技術(shù)問題 步進(jìn)電機(jī)由于的驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單、無累積誤差等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型的高分辨率數(shù)控定位系統(tǒng)當(dāng)中。但是它存在著兩個(gè)明顯的固有缺點(diǎn)，一個(gè)是低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪音相對(duì)較大，另一個(gè)是當(dāng)頻率突變過大時(shí)容易堵轉(zhuǎn)、丟步或者過沖，這兩個(gè)缺點(diǎn)對(duì)定位系統(tǒng)的精度會(huì)產(chǎn)生較大的影響。步進(jìn)電機(jī)作為一種機(jī)電一 體化設(shè)備，電機(jī)本身固有的問題可通過驅(qū)動(dòng)器或者控制器來彌補(bǔ)。采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以大大減少低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)和噪音，還可以起到減小步距角、提高分辨率、增大輸出力矩的效果；采用升降頻控制技術(shù) ,則可以克服步進(jìn)電機(jī)高速起停時(shí)存在的堵轉(zhuǎn)、丟步或者過沖等問題，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)得更加平穩(wěn)、定位更加精確。 正弦 細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù) 步進(jìn)電機(jī)的工作原理本質(zhì)上靠勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的合磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子做同步運(yùn)動(dòng)。不細(xì)分時(shí)步進(jìn)電機(jī)的合磁場(chǎng)將以一個(gè)固定的角度旋轉(zhuǎn)，如果對(duì)這個(gè)角度進(jìn)行細(xì)分，那么就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步距角的細(xì)分。由于勵(lì)磁繞組通電之后 產(chǎn)生磁通量正比于電流的大小，因而只要控制流過各個(gè)繞組的電流的大小和方向就可以控制步進(jìn)電機(jī)各個(gè)繞組產(chǎn)生的合磁場(chǎng)的大小和方向。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在整步或半步時(shí)，只需對(duì)繞組進(jìn)行正、反向通斷電控制，工作在細(xì)分狀態(tài)下就需要精確控制流過繞組電流的大小。如圖 11 所示，以兩相混合式步進(jìn)電機(jī)為例，如果控制繞組電流分別按照如下的正余弦規(guī)律變化 ， 那么繞組的合成電流矢量或者合成磁場(chǎng)矢 (1) 0s (2)0co s*I (3)022 E A K (4) m/900 其中， 組 組 繞組的電流最大值， I：合成電流矢量， 0：合成電流矢量的步進(jìn)旋轉(zhuǎn)角度， n:控制脈沖編號(hào) ,m：步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)。 量將以恒定大小、均勻的角度 0 做圓周旋轉(zhuǎn)，從而使得步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩恒定、細(xì)分步距角均勻。 圖 11 兩相正弦細(xì)分波形 7 沖寬度調(diào)制技術(shù) 目前一般采用脈沖寬度調(diào)制（ 術(shù)來精確控制繞組電流的大小。 下理論基礎(chǔ)上 ： 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上 ,效果基本相同 15。步進(jìn)電機(jī)的繞組由于電流不 會(huì) 突變，具有明顯的慣性環(huán)節(jié) ,因此可以用 術(shù)來控制電機(jī)繞組的電流大小 。如圖 12所示，周期脈沖信號(hào)的導(dǎo)通階段（ 繞組進(jìn)行充電，截止階段（ 組通過續(xù)流回路進(jìn)行放電。當(dāng)脈沖的頻率和寬度達(dá)到一定值時(shí)，繞組的電流將基本是一個(gè)恒定值，并帶有微小的紋波信號(hào)。當(dāng)脈沖寬度改變時(shí)，繞組的電流也將發(fā)生變化。所以 圖 12 繞組 壓、 電流波形 7 降頻控制技術(shù) 步進(jìn)電機(jī) 從靜止啟動(dòng)時(shí)，由于慣性和摩擦力矩的作用，如果轉(zhuǎn)動(dòng)頻率突變太大可能會(huì)丟步甚至堵轉(zhuǎn)；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)如果突然停下來，則可能會(huì)過沖，這些情況都會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)以及定位精度不高。 在 實(shí)際 應(yīng)用場(chǎng)合 中 ，步進(jìn)電機(jī) 經(jīng)常要 工作在高速轉(zhuǎn)動(dòng)和快速起停的狀態(tài)下， 為了克服堵轉(zhuǎn)、丟步和過沖的問題，可采用升降速控制技術(shù)。 由于步進(jìn)電機(jī)升速過程當(dāng)中輸出力矩明顯減少，因而步進(jìn)電機(jī)的升速曲線的設(shè)計(jì)尤為重要。步進(jìn)電機(jī)的升速過程一般由突變頻率和加速曲線過程。突變頻率不可太高否則會(huì)丟步甚至堵轉(zhuǎn)。 由 步 進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可得出理想的加速曲線為指數(shù)曲線 為 /)( (其中， 最高連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，：時(shí)間常數(shù) ) 16。 實(shí)際上步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率不是連續(xù)變化的而是離散的， 因而 升速曲線 一般是指運(yùn)行頻率與 脈沖 數(shù)的關(guān)系曲線 （如圖 13 所示） 。 由于單片機(jī)的硬件資源和計(jì)算能力都比較有限，一般采用各種方法來擬合升速曲線，常見的方法有臺(tái)階擬合法、直線擬合法以及查表法 18。出于擬合精度和實(shí)現(xiàn)難度的折中考慮，實(shí)際使用中往往采取直線擬合法 。 圖 13 指數(shù)型升速曲 線 17 由于 步進(jìn)電機(jī) 降速過程中輸出力矩 增大，因而對(duì)降速曲線的要求比升速曲線低得多，只要保證不因?yàn)閼T性而過沖超步即可。因而實(shí)際使用中，往往采用臺(tái)階擬合法。 論文的工作內(nèi)容 本論文的主要工作是在 深入 研究步進(jìn)電機(jī)的工作原理和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)計(jì)出 多種基于單片機(jī)的 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制產(chǎn)品 。 具體完成了以下幾個(gè)方面的工作： （ 1） 開發(fā) 了兩相 永磁式 步進(jìn)電機(jī) 專用 測(cè)試儀器 . （ 2） 設(shè)計(jì)了五相混合式步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器 ； （ 3） 開發(fā)了 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)三維 可變 細(xì)分 驅(qū)動(dòng)控制器 ； （ 4） 設(shè)計(jì)了 透明協(xié)議轉(zhuǎn)換 通訊 模塊 ； （ 5） 搭建了基于步進(jìn)電機(jī)的芯片顯微自動(dòng)拍照系統(tǒng)硬件平臺(tái)。 為了具體介紹本論文的工作內(nèi)容，我們按以下章節(jié)結(jié)構(gòu)來安排本論文的撰寫。 本章主要重點(diǎn)介紹步進(jìn)電機(jī)的特性、工作原理、發(fā)展概況以及關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)；第二章至第 六 章則分別介紹上述的（ 1）至（ 5）的 具體 內(nèi)容； 第七章對(duì)本論文的工作進(jìn)行總結(jié)，并展望一下 今后 可進(jìn)一步開展的工作。 第 二 章 兩 相 永磁式 步進(jìn)電機(jī)測(cè)試儀器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)廠商在研制出一款新的步進(jìn)電機(jī)之后，一般都要借助專用的測(cè)試儀器對(duì)電機(jī)的各種 性能 參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試； 在量產(chǎn)階段由于受各種因素的影響一般 也 會(huì)存在一定 比例的 次品，因而 也需要借助專用的測(cè)試儀器 來判斷產(chǎn)品 是否合格 。 然而市面上的步進(jìn)電機(jī)專用測(cè)試儀器很少見，即使有也不一定能夠滿足生產(chǎn)廠商的特殊要求。 本文正是在這種背景之下，針對(duì) 步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)廠商的 具體需求，開發(fā)出了 基于 片機(jī)的 兩 相 步進(jìn)電機(jī) 專用 測(cè)試儀器 ，該儀器主要用于測(cè)試兩相永磁式步進(jìn)電機(jī)，但是由于混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理與永磁式一樣，也可用于測(cè)試混合式步進(jìn)電機(jī) 。 體介紹 步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)廠商 為了能夠測(cè)試 各種 不同性能參數(shù)的步進(jìn)電機(jī)， 往往對(duì) 測(cè) 試儀器 通用性要求比 較高。以下是本測(cè)試儀器的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 驅(qū)動(dòng) 電壓可調(diào)，范圍 6V； 同時(shí)能夠驅(qū)動(dòng) 6 個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)最大耗電要能夠達(dá)到 1A； 可設(shè)置單極或者雙極驅(qū)動(dòng) 方式 ； 可設(shè)置 1 相、 2 相或者 12 相勵(lì)磁方式 。 動(dòng) 方式 圖 單極 型 兩相 步進(jìn)電 機(jī) 圖 雙極 型 兩相 步進(jìn)電機(jī) 如圖 示， 單極型兩相步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部具有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，每個(gè)勵(lì)磁繞組上還具有一個(gè)中心抽頭。這兩個(gè)中心抽頭可以分別引到電機(jī)外部，也可以內(nèi)部連接在一起之后再引到電機(jī)外部，因而單 極型兩相步進(jìn)電機(jī)具有 5 或者 6 根外部引線。 如圖 示，雙極型兩相步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部也具有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，但是不像單極型那樣有中心抽頭，因而其外部引線只有 4 根。 永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)主要依靠繞組通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體上南 極、北極相互吸引或者排斥，因而與繞組的通電方向有關(guān)。 單極型步進(jìn)電機(jī)的繞組中心抽頭一般固定 接地 （或者 電源 ）， 其繞組的通電方向主要取決對(duì)上半部分繞組通電還是對(duì)下半部分繞組通電 ，因而對(duì)應(yīng)的單極驅(qū)動(dòng)電路只需對(duì)半個(gè)繞組進(jìn)行 簡(jiǎn)單的 通斷電控制 。 而雙極型步進(jìn)電機(jī)的繞組的通電方向 則取決于兩端的驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)施加正向 電壓時(shí)產(chǎn)生正向電流，當(dāng)施加反向電壓時(shí)就產(chǎn)生反向電流。 磁方式 勵(lì)磁時(shí)序選擇依據(jù)是 要使得各個(gè) 繞組的合成磁場(chǎng)能夠沿著圓周均勻旋轉(zhuǎn)。 下表 1、表 2 分別 為單極驅(qū)動(dòng) 和雙極驅(qū)動(dòng) 的 12 相 勵(lì)磁時(shí)序表 。 1 相勵(lì)磁方式下， 勵(lì)磁 時(shí)序?yàn)?02 相勵(lì)磁方式下， 勵(lì)磁 時(shí)序?yàn)?112 相勵(lì)磁方式下，勵(lì)磁 時(shí)序則為 0 表 單極 12 相 勵(lì)磁時(shí)序表 繞組 時(shí)序 繞組 A+ 繞組 組 B+ 繞組 1 0 0 0 1 1 1 0 0 2 0 1 0 0 3 0 1 1 0 4 0 0 1 0 5 0 0 1 1 6 0 0 0 1 7 1 0 0 1 1：通電， 0：不通電 表 雙極 12 相勵(lì)磁時(shí)序表 時(shí)序 繞組 0 1 2 3 4 5 6 7 繞組 A + + 0 - - - 0 + 繞組 B 0 + + + 0 - - - +：正向通電 -：反向通電 0：不通電 試流程 壽命 測(cè)試模式主要用于測(cè)試電機(jī)的實(shí)際使用壽命，具體做法是讓步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)定的轉(zhuǎn)動(dòng)流程，循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間 （ 如 3000 個(gè)小時(shí) ） 之后如果還能夠正常工作，則表示步進(jìn)電機(jī)使用壽命能夠滿足要求 。具體 測(cè)試流程如下圖所示，其中轉(zhuǎn)動(dòng)頻率 3、轉(zhuǎn)動(dòng)方向 3、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間 3、 停止時(shí)間 t1及循環(huán)次數(shù) N 都要可以設(shè)置。轉(zhuǎn)動(dòng)頻率 F 設(shè)置范圍為 010K ；轉(zhuǎn)動(dòng)方向 可設(shè)置為 正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間以及停止時(shí)間的設(shè)置范圍都為09999，單位 100 毫秒 ；循環(huán)次數(shù)設(shè)置范 為 099999999。 圖 壽命測(cè)試流程圖 件設(shè)計(jì) 圖 壽命測(cè)試儀硬件框圖 如上圖所示，壽命測(cè)試儀的硬件主要由單片機(jī)模塊、液晶顯示模塊，按鍵輸入模塊、電源模塊以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。按鍵及液晶模塊用于搭建人機(jī)交互界面，以便能夠靈活地設(shè)置及顯示系統(tǒng)參數(shù)； 源模塊 測(cè)試儀所需 要的功率比較大，因而電源模塊的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。最大負(fù)載情況下，壽命測(cè)試儀要同時(shí)驅(qū)動(dòng) 6 個(gè)電機(jī)、每個(gè)電機(jī)耗電 1A 且驅(qū)動(dòng)電壓為 36V，所開始 以頻率 向 動(dòng)馬達(dá)運(yùn)行 ，然后停止 以頻率 向 動(dòng)馬達(dá)運(yùn)行 ，然后停止 以頻率 向 動(dòng)馬達(dá)運(yùn)行 ，然后停止 驅(qū)動(dòng)周期 +n=N？ 否 是 測(cè)試結(jié)束 單片機(jī) 控制模塊 液晶顯示模塊 按鍵輸入 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)模塊 電源模塊 以總的負(fù)載功率為 216W。如果采用像上述的轉(zhuǎn)速測(cè)試儀那樣采用變壓器和開關(guān)穩(wěn)壓芯片的方案，那么變壓器的體積將非常龐大，不切合實(shí)際。為此這里我們采用了大功率開關(guān)電源和多路開關(guān)穩(wěn)壓芯片的供電方案。所選