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[學(xué)士論文]畢業(yè)設(shè)計論文基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制(編輯修改稿)

2026-02-14 13:02 本頁面

　

【文章內(nèi)容簡介】磁場的速度（或者說慢于換相速度）。例如，步進(jìn)電機(jī)在啟動時，如果脈沖的頻率較高，由于電動機(jī)來不及獲得足夠的能量，使其無法令轉(zhuǎn)子跟上旋轉(zhuǎn)磁場的速度，所以引起失步。因此，步進(jìn)電動機(jī)有一個啟動頻率啟動時，肯定會產(chǎn)生失步。注意，啟動頻率不是一個固定值，提高電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、減少負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量、減少步距角都可以提高步進(jìn)電機(jī)的啟動頻率。2. 轉(zhuǎn)子的平均速度大于旋轉(zhuǎn)磁場的速度。這主要發(fā)生在制動和突然換向時，轉(zhuǎn)子獲得過多的能量，產(chǎn)生嚴(yán)重的過沖，引起失步。阻尼方法消除振蕩是通過增加阻尼的方法來實現(xiàn)的，主要有機(jī)械阻尼法和電子阻尼法兩大類。其中機(jī)械阻尼法比較單一，就是在電動機(jī)軸上加阻尼器，電子阻尼法則有多種。1. 多相勵磁法：采用多相勵磁會產(chǎn)生電磁阻尼，會削弱或消除振蕩現(xiàn)象。2. 變頻變壓法：步進(jìn)電機(jī)在高頻和在低頻時轉(zhuǎn)子所獲得的能量不一樣，在低頻時繞組中的電流上升時間長，轉(zhuǎn)子獲得的能量大，因此容易產(chǎn)生振蕩，在高頻時則相反。所以，可以設(shè)計一種電路，使電壓隨頻率的降低而減少，這樣使繞組在低頻時的電流減少，可以有效地消除振蕩。3. 細(xì)分步法：細(xì)分步法是將步進(jìn)電機(jī)繞組中的穩(wěn)定電流分成若干階段，每進(jìn)一步時，電流升一級。同時，也相對地提高步進(jìn)頻率，使步進(jìn)過程平穩(wěn)進(jìn)行。4. 反相阻尼法：這種方法用于步進(jìn)電機(jī)制動，在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子要過平衡點之前，加一個反向作用力去平衡慣性力，使轉(zhuǎn)子到達(dá)平衡點時速度為零，實現(xiàn)準(zhǔn)確制動。步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時，輸出轉(zhuǎn)矩Md與連續(xù)運(yùn)行頻率f之間的關(guān)系。矩頻特性曲線上每一個頻率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降下。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)行矩頻特性，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)。步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式的共振區(qū)一般180250pps之間（）或在400pps左右（），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，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。第三章步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護(hù)單元等組成。驅(qū)動單元與步進(jìn)電動機(jī)直接耦合，也可理解成步進(jìn)電動機(jī)微機(jī)控制器的功率接口，這里予以簡單介紹。單電壓功率驅(qū)動接口單電壓驅(qū)動是指電動機(jī)繞組在工作時，只用一個電壓電源對繞組供電，它的特點是電路最簡單。步進(jìn)電機(jī)使用脈沖電源工作，脈沖電源的獲得可通過下圖說明，開關(guān)管T是按照控制脈沖的規(guī)律“開”和“關(guān)”，使直流電源以脈沖方式向繞組L供電，這一過程我們稱為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。實用電路如下圖所示。在電機(jī)繞組回路中串有電阻Rs，使電機(jī)回路時間常數(shù)減小，高頻時電機(jī)能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機(jī)的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡單單電壓驅(qū)動線路中，Rs是不可缺少的。：單電壓功率驅(qū)動接口電路圖，電路中只有一個電源V，電路中的限流電阻R1決定了時間常數(shù)，但R1太大會使繞組供電電流減小。這一矛盾不能解決時，會使電動機(jī)的高頻性能下降，可在R1兩端并聯(lián)一個電容，以使電流的上升波形變陡，來改善高頻特性，但這樣做又使低頻性能變差。R1在工作中腰消耗一定的能量，所以這個電路損耗大，效率低，一般只用于小功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。雙電壓功率驅(qū)動接口用提高電壓的方法可以使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動。雙電壓驅(qū)動有兩種工作方式：雙電壓法和高低壓法。雙電壓驅(qū)動的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓UL驅(qū)動，而在高速（高頻段）時用較高的電壓UH驅(qū)動。這種功率接口需要兩個控制信號，Uh為高壓有效控制信號，U為脈沖調(diào)寬驅(qū)動控制信號。，功率管TH和二極管DL構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)Uh低電平，TH關(guān)斷，DL正偏置，低電壓UL對繞組供電。反之Uh高電平，TH導(dǎo)通，DL反偏，高電壓UH對繞組供電。這種電路可使電機(jī)在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時功耗減小。其電路圖如下所示：雙電壓功率驅(qū)動接口電路雖然這方法保證了低頻段仍然具有單電壓驅(qū)動的特點，在高頻段具有良好的高頻特性，但仍沒有擺脫單電壓驅(qū)動的弱點，在限流電阻R上仍然會產(chǎn)生損耗和發(fā)熱。高低壓功率驅(qū)動接口高低壓驅(qū)動的設(shè)計思想是，不論電機(jī)工作頻率如何，均利用高電壓UH供電來提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓UL來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻Rs，消除了附加損耗。高低壓驅(qū)動功率接口也有兩個輸入控制信號Uh和Ul，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時刻跳變，高壓管VTH的導(dǎo)通時間tl不能太大，也不能太小，太大時，電機(jī)電流過載；太小時，動態(tài)性能改善不明顯。一般可取1~3ms。（當(dāng)這個數(shù)值與電機(jī)的電氣時間常數(shù)相當(dāng)時比較合適）。高低壓驅(qū)動電路如下圖所示：高低壓驅(qū)動接口電路圖高低壓驅(qū)動法是目前普遍應(yīng)用的一種方法，由于這種驅(qū)動在低頻時電流有較大的上沖，電動機(jī)低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象存在，使用時要注意。第四章步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成用微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理系統(tǒng)圖與傳統(tǒng)步進(jìn)控制器相比較有以下優(yōu)點：1. 用微型機(jī)代替了步進(jìn)控制器把并行二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實現(xiàn)方向控制。2. 只要負(fù)載是在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍之內(nèi)，每個脈沖將使電機(jī)轉(zhuǎn)動一個固定的步距角度。3. 根據(jù)步距角的大小及實際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進(jìn)電機(jī)的最終位置。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理脈沖序列的生成脈沖的生成脈沖幅值：由數(shù)字元件電平?jīng)Q定。 TTL 0 ～ 5V CMOS 0 ～ 10V 接通和斷開時間可用延時的辦法控制。要求：確保步進(jìn)到位。方向控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)。三相六拍，通電順序為: 正轉(zhuǎn): A174。AB174。B174。BC174。C174。CA 反轉(zhuǎn): A174。AC174。C174。CB174。B174。BA 改變通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向脈沖分配實現(xiàn)脈沖分配（也就是通電換相控制）的方法有兩種：軟件法和硬件法通過軟件實現(xiàn)脈沖分配軟件法是完全用軟件的方式，按照給定的通電換相順序，通過單片機(jī)的IO向驅(qū)動電路發(fā)出控制脈沖，下面以三相六拍為例上面提到了三相六拍工作方式通電換相得正序為AABBBCCCAA,，反序為AACCCBBBAA 用軟件實現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖注：：A相驅(qū)動：B相驅(qū)動：C相驅(qū)動三相六拍控制字如下表所示：三相六拍工作方式的控制字通電狀態(tài)控制字A00101HAB01103HB01002HBC11006HC10004HCA10105H注：0代表使繞組斷電，1代表使繞組通電在程序中，只要依次將這10個控制字送到P1口，步進(jìn)電機(jī)就會轉(zhuǎn)動一個齒距角，每送一個控制字，就完成一拍，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個步距角。軟件法在電動機(jī)運(yùn)行過程中，要不停地產(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的CPU時間，可能使單片機(jī)無法同時進(jìn)行其他工作（如監(jiān)測等），所以，人們更喜歡用硬件法。通過硬件實現(xiàn)脈沖分配所謂硬件法實際上就是使用脈沖分配器8713，來進(jìn)行通電換相控制。8713是屬于單極性控制，用于控制三相和四相步進(jìn)電機(jī)，我們選擇的是三相六拍工作方式。8

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