步進(jìn)電機(jī)的加減速控制

1、<p>　　步進(jìn)電機(jī)的加減速控制</p><p>　　[摘 要]本文詳細(xì)分析了步進(jìn)電機(jī)及其工作原理，并基于MCS-51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中加入了步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)和恒頻脈寬調(diào)制技術(shù)。結(jié)合脈沖分配器的使用，開發(fā)了簡(jiǎn)單的細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制電路。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；細(xì)分控制 </p><p>　　中圖分類號(hào)：F

2、140 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）40-0038-01 </p><p><b>　　一、引言 </b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和微電子控制技術(shù)的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)作為一種可以精確控制的電機(jī)，廣泛應(yīng)用在高精密加工機(jī)床，微型機(jī)器人控制，航天衛(wèi)星等高科技領(lǐng)域。 </p><p>　　二、 步進(jìn)電機(jī)的原理 &

3、lt;/p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種控制用的特種電機(jī)，它無法像傳統(tǒng)電機(jī)那樣直接通過輸入交流或直流電流使其運(yùn)行，而是需要輸入脈沖電流來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)。其功能是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線位移，即給一個(gè)脈沖電信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。按勵(lì)磁方式可以分為反應(yīng)式、永磁式和混合式三種類型，本設(shè)計(jì)中選用的是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 </p><p>

4、;　　這是一臺(tái)四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)。共有4套定子控制繞組，繞在徑向相對(duì)的兩個(gè)磁極上的一套繞組為一相，也就是說定子上兩個(gè)相對(duì)的大齒就是一個(gè)相，電機(jī)按照A―B―C―D―A……的順序不斷接通和斷開控制繞組，轉(zhuǎn)子就會(huì)一步一步的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的方向則取決與各控制繞組輪流通電的順序。 </p><p>　　三、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制 </p><

5、;p>　　步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，不僅取決于步進(jìn)電機(jī)自身的性能，也取決于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。 </p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有很多種，包括單電壓驅(qū)動(dòng)、雙電壓驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)、集成電路驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)選用的是恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制方式，這是在斬波恒流驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)

6、上的進(jìn)一步改進(jìn)，既可以使細(xì)分后的步距角均勻一致，又可以避免復(fù)雜的計(jì)算。 </p><p>　　四、恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　1、脈沖分配的實(shí)現(xiàn) </p><p>　　在步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制中，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。它的通電換相順序嚴(yán)格按照步進(jìn)電機(jī)的工作方式進(jìn)行。通常我們把通電換相這一過程稱為脈沖分配。本設(shè)計(jì)中選用8713脈沖分配器芯片來進(jìn)行通

7、電換相控制。 </p><p>　　2、系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì) </p><p>　　步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)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(gè)控制四相步進(jìn)電機(jī)按四相八拍運(yùn)行的控制電路。8751單片機(jī)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(jī)的P1.0

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

9、發(fā)器輸出Ub高電平，使開關(guān)管T1、T2導(dǎo)通，繞組中的電流上升，采樣電阻上R2上壓降增加。當(dāng)這個(gè)壓降大于Ua時(shí)，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(dǎo)通，繞組中的電流重新上升。這樣的過程反復(fù)進(jìn)行，使繞組電流的波頂呈鋸齒形。因?yàn)镃LK的頻率較高，鋸齒形波紋會(huì)很小。 </p><p>　　當(dāng)Ua上升突變

10、時(shí)，采樣電阻上的壓降小于Ua，電流有較長的上升時(shí)間，電流幅值大幅增長，上升了一個(gè)階段，但由于這里輸出的是方波信號(hào)而不是階梯信號(hào)，所以只有一個(gè)上升階段，也就是說這個(gè)“階梯信號(hào)”只包含了一個(gè)階，并沒有把每一步細(xì)分成許多步，而是令輸出脈沖信號(hào)上升和下降的坡度變大，使原本的方波輸出變的圓滑，實(shí)現(xiàn)了控制信號(hào)類似梯形的平滑處理，如圖3所示。 </p><p>　　同樣，當(dāng)Ua下降突變時(shí)，采樣電阻上的壓降有較長時(shí)間大于Ua，比

11、較器輸出低電平，CLK的上升沿即使會(huì)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(fù)進(jìn)行。Ua每一次變化，就會(huì)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)細(xì)分步。 </p><p>　　在這個(gè)電路中有一個(gè)最突出的特點(diǎn)，那就是用8713脈沖分配器所輸出的脈沖信號(hào)取代了典型恒頻脈寬細(xì)分電路中D/A轉(zhuǎn)換器所提供的階梯控制信號(hào)。這樣的設(shè)計(jì)極大的簡(jiǎn)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(hào)取代了階梯波信號(hào)，使得單一相運(yùn)行時(shí)的細(xì)分程度有所降低，但是由于步進(jìn)電機(jī)的四相繞組是同進(jìn)進(jìn)行工作的，所以也可以達(dá)到了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制的目的。 </p><p><b>　　六、結(jié)束語 </b></p><p>　　當(dāng)前，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用正不斷深入到日常生活和工業(yè)制造的各個(gè)方面，并且國內(nèi)外對(duì)步進(jìn)電機(jī)及其控制技術(shù)的研究也在不斷的進(jìn)

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