黃 斌

中航工業(yè)自控所

淺談單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

黃 斌

中航工業(yè)自控所

市面上有各種不同類型的電機(jī)，與那些電機(jī)相比，步進(jìn)電機(jī)具有無誤差、精確的開環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)。因此，采用基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)可以在實(shí)際的控制系統(tǒng)中得到更加可靠的性能，同時(shí)相對(duì)于其他控制系統(tǒng)而言，這類控制系統(tǒng)有價(jià)格低廉、人機(jī)交互性強(qiáng)、操作方便的突出特點(diǎn)。本文簡(jiǎn)要分析了步進(jìn)電機(jī)的基本概念、單片機(jī)技術(shù)和控制系統(tǒng)等內(nèi)容，有助于整體控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)和人們?cè)谏a(chǎn)活動(dòng)中的應(yīng)用。

單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；控制系統(tǒng)

引言

步進(jìn)電機(jī)對(duì)于實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換有著重要的意義，傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制模式是通過觸發(fā)器進(jìn)行控制，如果改變了步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)可以更好地設(shè)計(jì)控制器。這種觸發(fā)器有利于控制系統(tǒng)，而且控制的電路比較復(fù)雜，精度也不會(huì)很高，而且生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生比較高的成本。電子功率作為一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制才能運(yùn)作，然后根據(jù)人們希望的規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，最終克服傳統(tǒng)控制器的不足。這種運(yùn)行方式符合工業(yè)生產(chǎn)的基本需求，并且有利于提升生產(chǎn)積極性，在數(shù)字系統(tǒng)的控制過程中的應(yīng)用也很廣泛。

1、步進(jìn)電機(jī)概述

1.1 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理

步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)差不多和普通電機(jī)一樣，如轉(zhuǎn)子﹑定子和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子繞組電動(dòng)機(jī)基本組件也有。一般來說，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理是使用物理“磁通總是試圖使它通過磁阻最小的路徑”磁阻轉(zhuǎn)矩，一步一步由電動(dòng)機(jī)可以出現(xiàn)。只是步進(jìn)電機(jī)定子繞組可分為階段，每個(gè)階段的兩極，有許多牙齒，轉(zhuǎn)子軸上有很多齒。下面探究的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的最關(guān)鍵因素是錯(cuò)齒。

1.2 四相步進(jìn)電機(jī)

1.2.1 四相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)。四相步進(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)一樣，轉(zhuǎn)子和定子繞線機(jī)的一些基本的步進(jìn)電機(jī)也有反應(yīng)。四相步進(jìn)電機(jī)定子繞組在這里是可以分為四個(gè)階段，這里說到的每個(gè)階段的極性，有許多牙齒，另外我們可以知道相同的轉(zhuǎn)子軸上都有非常多的齒。

1.3 四相步進(jìn)電機(jī)通電原理

1.3.1 控制步進(jìn)電機(jī)的速度。我們知道對(duì)于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速直接相關(guān)于單片機(jī)輸出的具體脈沖頻率值，倘若想要改變步進(jìn)電機(jī)的整個(gè)旋轉(zhuǎn)速度的大小，那么我們也是只需轉(zhuǎn)變這里的控制單片機(jī)輸出的具體脈沖頻率值。

1.3.2 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組電順序關(guān)系密切，因此，這里需要改變步進(jìn)電機(jī)的整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，那么只要改變每相繞組電先后的這樣順序。又或者是改變每相繞組電流的順序來掌握整個(gè)的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)過程。

2、基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的分析

基于電子電路控制系統(tǒng)﹑基于PLC控制系統(tǒng)和基于單片機(jī)控制系統(tǒng)，這三類是常見的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。與單片機(jī)控制系統(tǒng)相比，電子電路控制系統(tǒng)工作原理是脈沖控制信號(hào)在驅(qū)動(dòng)電路中進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。但這類控制系統(tǒng)要消耗大量元器件﹑安裝調(diào)試過程復(fù)雜，并且不利于系統(tǒng)的改造和升級(jí)。在PLC控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)高速控制，同時(shí)受PLC掃描周期影響，導(dǎo)致它的頻率響應(yīng)范圍較小，控制精度也降低了，不利于實(shí)際應(yīng)用。在生產(chǎn)實(shí)際中，越來越多的自動(dòng)化控制系統(tǒng)要求高定位精度，大多數(shù)采用步進(jìn)電機(jī)來控制系統(tǒng)，因此，提高系統(tǒng)定位精度必須改善步進(jìn)電機(jī)的控制方式。單片機(jī)能在各種惡劣條件下工作，適用的溫度范圍廣，非常強(qiáng)的抗干擾能力，易于組裝多種控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多機(jī)控制。單片機(jī)的種類繁多，依據(jù)系統(tǒng)功能要求，選擇合適的單片機(jī)，例如：我們可以利用AT89S52單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的各種運(yùn)行方式，如實(shí)現(xiàn)精確地開環(huán)控制﹑無級(jí)調(diào)速控制等功能。這類控制系統(tǒng)是采用模塊化設(shè)計(jì)，通過人機(jī)交互界面可設(shè)定各功能，CPU運(yùn)行速度加快，響應(yīng)速度提升，操作簡(jiǎn)單，靈活性與通用性提高了，便于人們掌握，這是軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。系統(tǒng)是由AT89S52單片機(jī)﹑外圍電路﹑驅(qū)動(dòng)電路和步進(jìn)電機(jī)等組成，通過外圍設(shè)備上的按鍵控制步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)﹑停止等相關(guān)操作，振蕩與失步現(xiàn)象得到了較好的消除，調(diào)速范圍較廣。系統(tǒng)中采用并行控制，脈沖分配由軟件編程直接實(shí)現(xiàn)，將編寫好的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)硬件芯片里，脈沖電流有序地給繞組施加，按照程序執(zhí)行有關(guān)操作，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字與角度的轉(zhuǎn)換。單片機(jī)的輸出脈沖電流太小，但步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電流較大，所以單片機(jī)需連接上驅(qū)動(dòng)電路后才能連步進(jìn)電機(jī)。不同的驅(qū)動(dòng)方式是在不同場(chǎng)合下依據(jù)不同需求而產(chǎn)生，常用的驅(qū)動(dòng)有單電壓﹑高低壓﹑斬波恒流﹑升頻升壓﹑細(xì)分驅(qū)動(dòng)這五種方式。一般適用于小功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)是單電壓，它是通過改變電路的時(shí)間常數(shù)來提高電機(jī)的高頻特性，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單﹑成本低的優(yōu)點(diǎn)。高低壓驅(qū)動(dòng)方式描述的是輸出力矩能否提升是用加大繞組電流的注入量來控制，無論電動(dòng)機(jī)處于什么樣的工作頻率下。

目前，最廣泛應(yīng)用于實(shí)際生活中的驅(qū)動(dòng)方式是斬波恒流，它利用斬波技術(shù)，使形成的鋸齒形波動(dòng)在繞組電流的額定值上下浮動(dòng)，讓流過繞組的有效電流得到增長(zhǎng)，并使得電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，功耗下降，效率較高。但是這類驅(qū)動(dòng)也存在著缺點(diǎn)，在低速時(shí)，易出現(xiàn)過沖或共振現(xiàn)象。因此，為改善恒流驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，針對(duì)不同的速度，調(diào)整相應(yīng)的壓力驅(qū)動(dòng)，從而避免了振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生，這就是升頻升壓驅(qū)動(dòng)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)是指每次脈沖切換時(shí)，只改變相應(yīng)階梯波式繞組電流的一部分，讓步距角只能旋轉(zhuǎn)一部分，在電動(dòng)機(jī)合成磁勢(shì)的作用下。這種驅(qū)動(dòng)技術(shù)是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一個(gè)飛躍，相對(duì)于其他驅(qū)動(dòng)技術(shù)而言，步進(jìn)電機(jī)的分辨率提高了，減弱了低頻振動(dòng)，優(yōu)化了啟動(dòng)性能。

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