步進電機控制系統(tǒng)

1、目 錄一、設(shè)計任務(wù): 2二、步進電機概述： 2 三、題目分析與整體構(gòu)思: 4四、硬件電路設(shè)計: 7五、硬件驗證: 10六、程序設(shè)計: 10七、系統(tǒng)仿真： 15八、感應(yīng)子式步進電機工作原理： 17九、心得體會: 24參考文獻: 25一、系統(tǒng)設(shè)計要求步進電機作為一種電脈沖角位移的轉(zhuǎn)換元件，由于具有價格低廉、易于控、制、無積累誤差和計算機接口方面等優(yōu)點，在機械、儀表、工業(yè)控制等領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計的具體要求是：1. 設(shè)計制作一個步進電機控制電路，可以細分驅(qū)動和常規(guī)驅(qū)動。2. 常規(guī)驅(qū)動狀態(tài)轉(zhuǎn)速四檔可調(diào)并可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。二、步進電機概述步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接

2、收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(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行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)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(yīng)用于各種開環(huán)控制。 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。 永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度。 反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出

3、，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(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)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 混合式步進電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細分驅(qū)動方案所選用的步進電機。 （一）步進電機的一些基本參數(shù)： 1.電機固有步距角： 電機固有步距角表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為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“電機固

4、有步距角”，它不一定是電機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)。 2.步進電機的相數(shù)： 步進電機的相數(shù)是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，它們的步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9/1.8、三相的為0.75/1.5、五相的為0.36/0.72 。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。 3.保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）： HOLDING TORQUE是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力

5、矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機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電機最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。 4.DETENT TORQUE： DETENT TORQUE是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。 （二）步進電機的特征 1.高精度的定位： 步進

6、電機最大特征即是能夠簡單的做到高精度的定位控制。以5相步進電機為例：其定位基本單位(分辨率)為0.72(全步級)/0.36(半步級)，是非常小的；停止定位精度誤差皆在3分(0.05)以內(nèi)，且無累計誤差，故可達到高精度的定位控制。(步進電機的定位精度是取決于電機本身的機械加工精度) 2.位置及速度控制： 步進電機在輸入脈沖信號時，可以依輸入的脈沖數(shù)做固定角度的回轉(zhuǎn)進而得到靈活的角度控制(位置控制)，并可得到與該脈沖信號周波數(shù)(頻率)成比例的回轉(zhuǎn)速度。 3.具有定位保持力： 步進電機在停止?fàn)顟B(tài)下(無脈波信號輸入時)，仍具有激磁保持力，故即使不依靠機械式的剎車，也能做到停止位置的保持。械式的剎車，也

7、能做到停止位置的保持。4.動作靈敏： 步進電機因為加速性能優(yōu)越,所以可做到瞬時起動、停止、正反轉(zhuǎn)之快速、頻繁的定位動作。5.開回路控制、不必依賴傳感器定位： 步進電機的控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要速度感應(yīng)器(ENCODER、轉(zhuǎn)速發(fā)電機)及位置傳感器(SENSOR)，就能以輸入的脈波做速度及位置的控制。也因其屬開回路控制，故最適合于短距離、高頻度、高精度之定位控制的場合下使用。 6.中低速時具備高轉(zhuǎn)矩： 步進電機在中低速時具有較大的轉(zhuǎn)矩，故能夠較同級伺服電機提供更 大的扭力輸出。7.高信賴性： 使用步進電機裝置與使用離合器、減速機及極限開關(guān)等其它裝置相較，步進電機的故障及誤動作少，所以在檢查及保養(yǎng)時

8、也較簡單容易。 8.小型、高功率： 步進電機體積小、扭力大，盡管于狹窄的空間內(nèi)，仍可順利做安裝，并提供高轉(zhuǎn)矩輸出。注：在第八部分中有對感應(yīng)子式步進電機的詳細描述，以供對此有興趣的同學(xué)參考！三、題目分析與整體構(gòu)思 步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移（或線位移）的機電元件，具有 結(jié)構(gòu)簡單堅固耐用工作可靠的優(yōu)點因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。由于脈沖的不連續(xù)性又使步進電機運行存在許多不足之處，如低頻振蕩、噪聲大、分辨率不高及驅(qū)動系統(tǒng)可靠性差等，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用范圍。步進電機的細分控制有效地解決了這一問題，但是傳統(tǒng)的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)大多數(shù)采用的是用 單片機 作為控制芯片，外加分立的數(shù)字邏輯電路和

9、模擬電路構(gòu)成。受 單片機 工作頻率的限制，細分?jǐn)?shù)不是很高，因此驅(qū)動器的控制精度較低，控制性能不是很理想。隨著高性能數(shù)字信號處理器 DSP 的出現(xiàn)，以 DSP 為控制核心，以軟件方式實現(xiàn)電機控制一度成為研究的熱點。近年來隨著可編程邏輯器件的飛速發(fā)展，使得可編程邏輯器件功能越來越強大從而促使高集成化高精度驅(qū)動器的出現(xiàn)。因此本文提出了一種基于 SOPC 片上可編程的全數(shù)字化步進電機控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)是以 FPGA 為核心控制器件，將驅(qū)動邏輯功能模塊和控制器成功地集成在 FPGA 上實現(xiàn)，充分發(fā)揮了硬件邏輯電路對數(shù)字信號高速的并行處理能力，可以使步進電機繞組電流細分達到 4096 ，且細分?jǐn)?shù)可以自動調(diào)節(jié)

10、，極大地提高了控制精度和驅(qū)動器的集成度，減小了驅(qū)動器體積。 1.步進電機細分驅(qū)動原理 步進電機的細分控制本質(zhì)上是對步進電機勵磁繞組中的電流進行控制，在普通驅(qū)動方式下，驅(qū)動電路只是通過對電動機繞組激磁電流的 “ 開 ” 和 “ 關(guān) ” ，使步進電動機 轉(zhuǎn)子以其本身的步距角分步旋轉(zhuǎn)。步進電動機靠定子、轉(zhuǎn)子磁極間的電磁力來進行工作，當(dāng)它處于 “ 雙拍 ” 狀態(tài)工作時，其定位位置是正好位于兩通電磁極的中間， 即依靠兩通電磁極電磁吸引力的平衡而獲得的。由此可以推論 : 如果能夠進一步仔細地控制兩磁極電磁吸引力的大小，使轉(zhuǎn)子磁極獲得更多種由于兩相定子磁極的電 磁吸引力差異而形成的平衡定位位置。步進電機細分

11、驅(qū)動方式就是應(yīng)用了這一原理，在細分驅(qū)動時，細分控制器通過控制各相激磁繞組電流的逐步增大及逐步減小，讓轉(zhuǎn)子處于多個磁力平衡狀態(tài)使電機內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，實現(xiàn)步距角變小、電動機的旋轉(zhuǎn)得到細化的目的。合成的磁場矢量的幅值決定了電機旋 轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩個合成磁場矢量的夾角大小決定了該步距角的大小。對于三相步進電機而言，向 A 、 B 、 C 繞組分別通以相位相差 2/3 ，而幅值相同的正 弦波電流 ( 圖3-1) ，則合成的電流矢量在空間做幅值恒定的旋轉(zhuǎn)運動，其對應(yīng)的合成磁場矢量也作相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)從而形成旋轉(zhuǎn)力矩（圖3-2 ）。 A 、 B 、 C 三相瞬時電流值如式（ 1 ）、（ 2

12、 ）、（ 3 ）所示。 （ 1 ） （ 2 ） （ 3 ） 圖 3-1 步進電機正弦細分三相繞組電流波形圖 圖 3-2 旋轉(zhuǎn)力矩圖 細分驅(qū)動方式下，由于步距角小，步進電機的控制精度明顯提高，同時這種驅(qū)動方式又有效抑制低速運行中產(chǎn)生的噪聲和振蕩現(xiàn)象。圖3-3 步進電機細分驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)圖2.控制器總體設(shè)計方案 步進電機三相繞組的電流是正弦階梯電流，通過改變給定電流的每一次變化的階梯數(shù)可以實現(xiàn)可變細分功能。驅(qū)動器的任務(wù)就是控制繞組的電流，使之按正弦階梯波的規(guī)律變化。每給一個步進脈沖， A 、 B 、 C 三相繞組的電流沿正弦階梯波前進一步，電機轉(zhuǎn)動一個步距角。 步進電機控制系統(tǒng)框圖如圖3-4 所示。

13、采用 FPGA 作為主控制芯片 , 將控制器與驅(qū)動器的數(shù)字電路部分集成在一片 FPGA 上 實現(xiàn)。為了控制繞組電流，在設(shè)計中引入電流跟蹤型閉環(huán)反饋，反饋電流與給定的正弦電流（離散的正弦表）經(jīng)過改進的比例積分 PI 調(diào)節(jié)后進行 SPWM 調(diào)制，輸 出 6 路 PWM 波，來控制驅(qū)動電路三個橋臂上的 6 個 IGBT 開通關(guān)斷。如果忽略死區(qū)時間控制每個橋臂的上下半橋的兩路 PWM 波互補即上半橋 PWM 波為高 / 低電平時，下半橋 PWM 波為低 / 高電平。系統(tǒng)采用 14 位寬度 200MHz 計數(shù)器產(chǎn)生 PWM 載波，載波頻率 12.2KHz ，電流數(shù)據(jù)全部采用14位精度進行離散化。200M

14、Hz 時鐘由 50MHz 時鐘經(jīng) PLL 倍頻產(chǎn)生。 FPGA 輸 出的 PWM 波經(jīng)功率模塊放大后，控制步進電機運行。步進電機運行狀態(tài)（轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向）通過 LED 指示。步進電機轉(zhuǎn)速是由查表速度決定的， CP 是用來決定查表頻率，在細分等級一定的情況下 CP 速度越高電機轉(zhuǎn)速越快。如果電機在高細分下高速旋轉(zhuǎn)則 CP 脈沖頻率就會很高，導(dǎo)致 PWM 脈寬過小，使功率模塊 IGBT 控 制橋臂頻繁開關(guān)，其結(jié)果是開關(guān)損耗大為增加，功率模塊過熱。而高細分在步進電機高速旋轉(zhuǎn)時其優(yōu)勢并不明顯，所以在不影響電機運行精度的情況下，系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速對細分精度在 4096 、 2048 、 1024 、 512 、

15、256 、 128 、 64 、 32 之間自動調(diào)節(jié)，使電機更加平穩(wěn)可靠的運行。 圖3-4 控制系統(tǒng)框圖 四、硬件電路設(shè)計以四相反應(yīng)式步進電機為例，最多只能實現(xiàn)二細分，對于相數(shù)較多的步進電機可達到的細分?jǐn)?shù)稍大一些，但也很有限。因此要使可達到的數(shù)很大，就必須能控制步進電機各相勵磁繞組中的電流，使其按階梯上升或下降，即在零到最大電流之間能有多個穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)，相應(yīng)的磁場矢量幅值也就存在多個中間狀態(tài)，這樣，相鄰兩相或多相的全成磁場的方向也將有多個穩(wěn)定的中間狀態(tài)。四相步進電機八細分時的各相電流是以1/4的步距上升或下降的，在兩相中間又插入了七個穩(wěn)定的中間狀態(tài)，原來一步所轉(zhuǎn)過的角度將由八步完成，實現(xiàn)

16、了步距角的八細分。由此可見，步進電機的細分驅(qū)動的關(guān)鍵在于細分步進電機各相勵磁繞組中的電流。本次設(shè)計采用四相步進電機八細分方案。（1）步進細分的系統(tǒng)構(gòu)成 圖 4-1 圖4-2 圖4-4中的二路選擇器模塊 本次設(shè)計的步進電機系統(tǒng)是由PWM計數(shù)器、波形ROM地址計數(shù)器、PWM波形ROM存儲器、比較器、功放電路等組成。其中，PWM計數(shù)器在脈寬時鐘作用下遞增計數(shù)，產(chǎn)生階梯形上升的周期性的鋸齒波，同時加載到各數(shù)字比較器的一端；PWM波形ROM輸出的數(shù)據(jù)A3.0、B3.0、C3.0、D3.0分別加載到各數(shù)字比較器的另一端。當(dāng)PWM計數(shù)器的計數(shù)值小于波形ROM輸出數(shù)值時，比較器輸出低電平；當(dāng)PWM計數(shù)器的計數(shù)

17、值，比較輸出高電平。由此可輸出周期性的PWM波形。根據(jù)圖步進電機八細分電流波形的要求，將各個時刻細分電流波形所對應(yīng)的數(shù)值存放于波形ROM中，波形ROM的地址由地址計數(shù)器產(chǎn)生。通過對地址計數(shù)器進行控制，可以改變步進電機的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)動速度、工作/停止?fàn)顟B(tài)。EPGA產(chǎn)生的PWM信號控制各功率管驅(qū)動電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，其中PWM信號隨ROM數(shù)據(jù)而變化，改變輸出信號的占空比，達到限流及細分控制，最終使電機繞組呈現(xiàn)階梯形變化，從而實現(xiàn)步距細分的目的。輸出細分電流信號采用EPGA中LPM_ROM查表法，它是通過在不同地址單元內(nèi)寫入不同的PWM數(shù)據(jù)，用地址選擇來實現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細分。示例電路原理圖

18、4-4是根據(jù)圖3-3設(shè)計的，其中S選擇是否輸出細分控制信號，圖4-1、4-2、4-3都是圖4-4中的模塊圖。 圖4-3 圖4-4中的CMP3模塊（2）細分電流信號的實現(xiàn)從LPM_ROM輸出的數(shù)據(jù)加在比較器的A端，PWM計數(shù)器的計數(shù)值加在比較器的B端，當(dāng)計數(shù)值小于ROM數(shù)據(jù)時，比較器輸出底電平；當(dāng)計數(shù)值大于ROM數(shù)據(jù)時，比較器輸出高電平；如果改變ROM中的數(shù)據(jù)，就可以改變一個計數(shù)周期中高低電平的比例。圖4-4中的PWM計數(shù)器（CNT8）將整個PWM周期四等份。 圖4-4 步進電機PWM細分控制電路圖注：圖中的引腳號是本次在CYCLONE的EP1C12Q240C8中所用的引腳接口（3）細分驅(qū)動性能

19、的改善試驗測定顯示，在線性電流的驅(qū)動下，步進電機轉(zhuǎn)子的微步進是不均勻的，呈現(xiàn)出明顯的周期性波動。磁場的邊界條件按齒槽情況呈周期性重復(fù)是導(dǎo)致微步距角周期性變化的根本原因。同時，不可避免的摩擦負載(摩擦力矩是不恒定的，或者說在一定范圍內(nèi)也是不確定的)以及其它負載力矩的波動導(dǎo)致失調(diào)角出現(xiàn)不規(guī)則的小變動或小跳躍，也使微步距角曲線在周期性波動上出現(xiàn)不光滑的小鋸齒形。步進電機的電流矩角特性并非線性函數(shù)，而是近似于正弦函數(shù)。若使電流按線性規(guī)律上升或下降，必然會造成每一細分步的步距角不均勻，從而影響步距精度。為此在設(shè)計中，需要提高LPM_ROM 數(shù)據(jù)精度，將數(shù)據(jù)提高到十六位，使輸出的步進細分電流近似為正弦電流

20、，這樣不僅提高了步距精度，而且可以改善低頻震蕩。五、硬件驗證程序1、程序2和程序3是圖4-4中的元件CNT8、DEC2 和CNT24 的VHDL 描述；程序4是LPM_ROM 元件ROM3 中的初始化數(shù)據(jù)文件：pwm_1.mif，程序5是步進電機的總控制程序（僅供參考）。LPM_ROM 表總長為84=32 個字節(jié)，地址計數(shù)器根據(jù)控制脈沖與方向輸出LPM_ROM 地址，用來選擇片內(nèi)預(yù)先寫好的數(shù)據(jù)，將它傳送給PWM 電路，從而實現(xiàn)不同步距細分?jǐn)?shù)及方向控制。當(dāng)細分?jǐn)?shù)為8時，其細分電流波形共有8 個臺階，其周期為84=32 個控制脈沖。地址計數(shù)器是一個可加/減計數(shù)器，u_d為方向控制；clk0 為速度

21、控制。六、程序設(shè)計（1）PWM波計數(shù)器模塊CNT8的VHDL源程序LIBRARY IEEE; - 8進制計數(shù)器USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNT8 IS PORT ( CLK : IN STD_LOGIC; CQ : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END CNT8;ARCHITECTURE behav OF CNT8 IS SIGNAL CQI : STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS(CLK) BEGIN

22、 IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN CQI = CQI + 1; END IF; END PROCESS; CQ D D D D NULL ; END CASE ; END PROCESS ; PROCESS(CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN CQ = A; END IF; END PROCESS;END ; （3）地址計數(shù)器模塊CNT24的VHDL源程序LIBRARY IEEE; - 24進制計數(shù)器USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENT

23、ITY CNT24 IS PORT( CLK,EN,U_D : IN STD_LOGIC; CQ : OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);END CNT24;ARCHITECTURE behav OF CNT24 IS SIGNAL CQI : STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS(CLK, EN, U_D) BEGIN IF EN = 1 THEN CQI = CQI; ELSIF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN IF U_D = 1 THEN CQI = CQI + 1;ELSE CQI= C

24、QI-1; END IF; END IF; END PROCESS; CQ(4 DOWNTO 0) = CQI;END behav;（4）5位地址線ROM3中的數(shù)據(jù)：pwm_1.mifWIDTH = 16;DEPTH = 32;ADDRESS_RADIX = HEX;DATA_RADIX + HEX;CONTENT BEGIN0:F000;1:G600;3:FC00;4:FF00;5:CF00;6:9F00;7:6F00;8:0F00;9:0F60;a:0F90;b:0FC0;c:0FF0;d:0CF0;e:0AF0;f:06F0;10:00F0;11:00F6;12:00F9;13:00FC

25、;14:00FF;15:00CF;16:009F;17:006F;18:000F;19:600F;1a:900F;1b:C00F;1c:F00F;1d:F00C;1e:F009;1f:F006; ( 5 ) 步進電機控制電路總程序（僅供參考）LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;ENTITY STEP_MOTOR IS PORT(F,P,D:IN STD_LOGIC:=0; SPEED:IN STD_LOGIC_VECTOR(1

26、DOWNTO 0); COIL:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END STEP_MOTOR;ARCHITECTURE BEHAVIOR OF STEP_MOTOR IS SIGNAL IND_COIL:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0):=0001; SIGNAL CLK_SCAN:STD_LOGIC; SIGNAL PHASE,DIRECTEON:STD_LOGIC; SIGNAL T:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); SIGNAL COMP:INTEGER RANGE 0 TO 2500; SIGNAL O

27、SC:STD_LOGIC; BEGIN COIL=50 THEN DELAY:=0;OSCIF COMP2500 THEN COMP=COMP+1; ELSE COMPIF COMP2 THEN COMP=COMP-1; ELSE COMPIF COMP2 THEN COMP=2; ELSE COMP=COMP THEN D_FF:=0;CLK_SCAN=NOT CLK_SCAN; ELSE D_FF:=D_FF+1; END IF; END PROCESS; PROCESS(F) VARIABLE B:STD_LOGIC; BEGIN IF (FEVENT AND F=1) THEN B:=

28、(P AND (D AND P); IF B=1 THEN PHASE=NOT PHASE;B:=0; ELSE P=0 THEN PHASE=PHASE;B:=1; END IF; END IF; END PROCESS; PROCESS(F) VARIABLE B:STD_LOGIC; BEGIN IF (FEVENT AND F=1) THEN B:=(D AND (B AND D); IF B=1 THEN DIRECTION=NOT DIRECTION;B:=0; ELSIF D=0 THEN DIRECTION IF DIRECTION=0 THEN IF (IND_COIL=10

29、01)OR IND_COIL=0000) THEN IND_COIL=0001; ELSE IND_COIL=(IND_COIL(2 DOWNTO 0)&IND_COIL(3); END IF; ELSE IF(IND_COIL=1001)OR (IND_COIL=0000) THEN IND_COIL=1000; ELSE IND_COILIND_COIL=IND_COIL; END CASE; T=NOT IND_COIL; END PROCESS MOTOR; END BEHAVIOR;七、系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真后的結(jié)果分別如圖6-1、圖6-2、圖6-3、圖6-4所示。 圖6-1 PWM波讀數(shù)

30、器CNT8仿真圖 圖6-2（1）地址讀數(shù)器CNT24的仿真圖（U_D放置于高電平） 圖6-2（2） 地址讀數(shù)器CNT24的仿真圖（U_D放置于低電平） 圖6-3 DEC2的仿真圖 圖6-4 步進電機PWM的仿真波形圖八、感應(yīng)子式步進電機工作原理 本次實驗絕大部分都是在康芯公司GW48系系列EDA實驗開發(fā)系統(tǒng)上驗證的，對步進電機的了解不是很多，為了能夠開拓視野，加深對步進電機了解，特在此加入了對感應(yīng)子式步進電機的詳細描述，以供參考。（一）反應(yīng)式步進電機原理 由于反應(yīng)式步進電機工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進電機原理。1.結(jié)構(gòu)： 電機轉(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

31、線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/3、2/3,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3，C與齒3向右錯開2/3，A與齒5相對齊，（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，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3，此時齒3與C偏移為1/3，齒4與A偏移（-1/3）=2/3。如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3，此時齒4與A偏移為1/3對齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右

32、移過1/3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，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A通電，電機就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A通電，電機就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/

33、m,2/m(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。 3.力矩： 電機一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力F與（d/d）成正比。S 其磁通量=Br*S Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積， F與L*D*Br成正比L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=NI/R NI為勵磁繞阻安匝數(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，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)

34、子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。（二）感應(yīng)子式步進電機1.特點： 感應(yīng)子式步進電機與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進電機相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，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的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應(yīng)子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動），而反應(yīng)式電機則不能如此。例如：四相，八相運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行

35、方式。 一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。2.分類 感應(yīng)子式步進電機以相數(shù)可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號（電機外徑）可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進電機代號)、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標(biāo)準(zhǔn)），而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。3.步進電機的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。拍數(shù)：完成一個

36、磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。 定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機

37、不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(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，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。4.步進電機動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：（1)步距角精度： 步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。（2）失步： 電機運轉(zhuǎn)時運轉(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，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失

38、調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。（4）最大空載起動頻率： 電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。（5）最大空載的運行頻率： 電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。（6）運行矩頻特性： 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。如下圖所示： 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。 電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率

39、特性越硬。如下圖所示： 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，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。 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。（7）電機的共振點： 步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進電機的共振區(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），電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 （8）電機正反轉(zhuǎn)控制： 當(dāng)電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA時為正轉(zhuǎn)，通

40、電時序為DA-CA-BC-AB時為反轉(zhuǎn)。（三）驅(qū)動控制系統(tǒng)組成使用、控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下：1.脈沖信號的產(chǎn)生 脈沖信號一般由單片機或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。2.信號分配 我廠生產(chǎn)的感應(yīng)子式步進電機以二、四相電機為主，二相電機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

41、 功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(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）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動方式，到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流、細分?jǐn)?shù)等。 為盡量提高電機的動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進電機的驅(qū)動電源。我廠生產(chǎn)的SH系列二相恒流斬波驅(qū)動電源與單片機及電機接線圖如下：注：CP 接CPU脈沖信號（負信號，低電平有效）OPTO 接CPU+5VFREE 脫機，與CPU地線相接，驅(qū)動電源不工作DIR 方向控制，

42、與CPU地線相接，電機反轉(zhuǎn)VCC 直流電源正端GND 直流電源負端 A 接電機引出線紅線接電機引出線綠線 B 接電機引出線黃線接電機引出線藍線 步進電機一經(jīng)定型，其性能取決于電機的驅(qū)動電源。步進電機轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要求電機的電流越大，驅(qū)動電源的電壓越高。電壓對力矩影響如下：4.細分驅(qū)動器 在步進電機步距角不能滿足使用的條件下，可采用細分驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機，細分驅(qū)動器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉(zhuǎn)的。（四）步進電機的應(yīng)用1 .步進電機的選擇 步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下

43、來了。 （1）步距角的選擇 電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機軸上，每個當(dāng)量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。（2）靜力矩的選擇 步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負

44、載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）（3）電流的選擇 靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓） 綜上所述選擇電機一般應(yīng)遵循以下步驟：（4）力矩與功率換算步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60 其P為功率單位為瓦，為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓米。 P=2fM/400(半步工作)其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS）2.應(yīng)用中的注意點（1）步進電機應(yīng)用于低速場合-每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。（2)步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。（3）由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源，