基于單片機步進電機速度控制研究

1、 基于單片機步進電機速度控制研究  本文對步進機一個全面的介紹，再基于單片機對步進電機的掌握。本文采納硬件掌握系統(tǒng)，通過單片機MC9S12XS128與光電編碼器對步進電機進行速度的掌握。最終對步進電機的速度曲線進行討論。     步進電機又稱為脈沖電動機或者階躍電動機，作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于各種自動化掌握系統(tǒng)之中，比如當今電子鐘表、工業(yè)機械手、包裝機械和汽車制動元件的測試中等。步進電機在將來應(yīng)用前景會往更加小型化、從圓形電動機往方形電動機和四相、五相往三相電動機進展。而這便需要對步進電機的掌握提出了更高的要求。   

2、; 1.步進電機綜合介紹    1.1.步進電機分類    步進電動機的種類許多，從廣義上講，步進電機的類型分為機械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點電磁式步進電機可分為反應(yīng)式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進電機。    1.1.1.反應(yīng)式步進電機    反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。一般為三相，可實現(xiàn)大扭矩的輸出，步進角一般為1.5度。它的結(jié)構(gòu)簡潔，成本低，但噪音大。   

3、  1.1.2.永磁式步進電機    永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大，步進角一般為7.5度或15度。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小，但啟動運行頻率較低，還需正負脈沖供電。    1.1.3.混合式步進電機    混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點。它分為兩相和五相，兩相的步進角一般為1.8度，而五相的步進角為0.72度?；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，以供應(yīng)軟磁材料的工作點，而定子激磁只需供應(yīng)變化的磁場而不必供應(yīng)磁材

4、料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。    目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進電機。    1.2.步進電機的工作原理    步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移增量，也即是說，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，便驅(qū)動電機根據(jù)設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動肯定的角位移量。我們可以通過掌握脈沖的個數(shù)來掌握步進電機的角位移量，通過掌握脈沖的頻率來掌握速度與加速度。    定子齒有三個勵磁繞組，其幾何軸線分別于轉(zhuǎn)子的軸線錯開。當A相通電時，由于定齒的A齒與轉(zhuǎn)子的1齒對齊，沒有切向力，轉(zhuǎn)子靜止，接著B相通電，轉(zhuǎn)子齒偏移定子

5、一個角度，由于勵磁磁通力圖沿著磁阻最小的路徑通過，因此對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到定子齒對齊位置時，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切向力的作用，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在該位置上。綜上可得出，錯齒是促使步進機旋轉(zhuǎn)的根本緣由。    在非超載的狀況下，電機轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的脈沖數(shù)和脈沖頻率，而不受負荷變化的影響。本文是基于這個條件下進行步進電機速度掌握討論。    2.步進電機掌握系統(tǒng)的討論    2.1.脈沖掌握的方法    實現(xiàn)脈沖的安排的方法有兩種：軟件法和硬件法。軟件法在電機運行的過

6、程中，要不停地產(chǎn)生掌握脈沖，占用了CPU大量的時間，可能會使單片機無法進行其它工作，所以現(xiàn)在大部分都是采納硬件法。    2.2.掌握系統(tǒng)硬件設(shè)計的討論    良好的驅(qū)動系統(tǒng)方案能強有力的支撐步進電機升降速曲線的設(shè)計。掌握系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號, 通過驅(qū)動器就能夠驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。角位移量與脈沖個數(shù)相關(guān)。步進電機停止旋轉(zhuǎn)時，能夠產(chǎn)生兩種狀態(tài)：制動加載能夠產(chǎn)生最大或部分保持轉(zhuǎn)矩（通常稱為剎車保持，無需電磁制動或機械制動）及轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（能夠被外部推力帶動輕松旋轉(zhuǎn)）。步進電機驅(qū)動器，必需與步進電機的型號相匹配。否則，將會損壞步進電機及驅(qū)動器。電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能直接影響和制約加減速曲線的效果。其    硬件方面，基于MC9S12XS128 16位MCU以及光電編碼器、步進電機驅(qū)動電路、單片機最小系統(tǒng)板電路支撐軟件平臺。    MC9S12XS128是飛思卡爾公司為成本敏感型汽車車身電子應(yīng)用而設(shè)計的16位微掌握器，其相關(guān)特性足以滿意此掌握系統(tǒng)的設(shè)計要求。MC9S12XS128 MCU主要特性：    (1)S12X CPU， 最高總線速度40MHz；    (2)2.128KB閃存，帶有錯誤校正功能（ECC）；