緒論  

1.1 步進電機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀  

     步進電動機是一種新型增量式電機，是數(shù)字控制系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件。它是利用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移或線位移的電動機。它的位移與輸入脈沖信號相對應，步矩誤差不長期積累，不需用電刷，電機本體部件少，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。用步進電機作為驅(qū)動裝置構(gòu)成的控制系統(tǒng)，具有成本低，控制簡單，容易維護等優(yōu)點。步進電動機問世后，廣泛地應用在等各個領域。做為機床控制、電子瞄準、工業(yè)自動化、辦公自動化和機器人運動控制中應用的重要執(zhí)行部件，顯示出廣闊的發(fā)展前景。

     步進電動機有多種不同的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過近七十多年的發(fā)展，逐漸形成以混合式和反應式為主的產(chǎn)品格局。混合式步進電動機是在同步電動機或者說是在永磁感應子式同步電動機的基礎上發(fā)展起來的。既有反應式步進電動機基于氣隙磁導變化的特征，又有軸向恒定磁場的永磁式步進電動機的特征。其綜合了該兩類步進電動機的特點，因而性能更好。具有分辨率高，控制功率小等優(yōu)點，是應用最為廣泛的步進電動機種類，至今沒發(fā)現(xiàn)更合適取代它的產(chǎn)品。缺點是帶慣性負載能力差，低頻振蕩現(xiàn)象嚴重，高頻運行時輸出轉(zhuǎn)矩下降。  

國外步進電動機研究較早，對步進電機驅(qū)動技術(shù)的研究一直很活躍，如今正在研究開發(fā)以步進電動機為執(zhí)行機構(gòu)的高性能伺服系統(tǒng)。目前，這類電動機最大的生產(chǎn)國還是日本。日本有很多公司生產(chǎn)，像JAPAN SERVO，SANYO DENKI等。它們的產(chǎn)品無論是外觀質(zhì)量，內(nèi)部性能指標，還是生產(chǎn)手段，都處于世界先進水平。而在我國，步進電動機的研制最早始于1958年。經(jīng)過五十年的發(fā)展，目前發(fā)展趨于平緩，與國外相比，反應式步進電動機還占大量比例，只是隨著近年來大批進口設備大量涌入我國，而這些設備大多數(shù)采用了混合式步進電動機，混合式步進電動機才為人們所熟悉。在國外，特別是工業(yè)比較發(fā)達的國家，步進電動機及其驅(qū)動技術(shù)早已規(guī)模化生產(chǎn)，我國與之相比還有相當大的差距。雖然我國在該類電機的研制和生產(chǎn)上已形成一定規(guī)模，但生產(chǎn)規(guī)模較小，未形成商品化和系列化，僅處于按用戶要求研制定制階段，與國外產(chǎn)品相比尚無競爭能力。從步進電動機驅(qū)動技術(shù)發(fā)展歷史來看，步進電動機的相數(shù)不同，有2相、3相、4相、5相、9相等。齒數(shù)也不同，使得產(chǎn)品規(guī)格品種繁多，生產(chǎn)格局復雜化，對用戶選擇不利。然而由于步進電動機和其它電機有著很大的差別，具有其它電機所沒有的特性。因此，它仍然能根據(jù)市場的需求，沿著小型化、高效、低價的方向發(fā)展.

步進電動機的使用性能與它的驅(qū)動電路有密切的關(guān)系，隨著電力電子技術(shù)及微電子技術(shù)及其器件的發(fā)展，驅(qū)動器的面貌不斷改變。最初使用的末級功放元件是可控硅。可控硅雖然觸發(fā)簡單，但關(guān)斷困難，總的來說線路較復雜、易形成誤觸發(fā)、可靠性也差；且不便于調(diào)試和維護、抗干擾能力不好。但隨著大功率晶體管的發(fā)展目前一般不再采用末級功放元件來驅(qū)動控制步進電動機。目前，功率開關(guān)管多采用功率場控晶體管(MOSFET)和全控型器件(IGBT)。功率集成電路(PIC)將功率器件、前級驅(qū)動電路、控制電路及保護電路等都集成在一起，具有較強的功能和較大的輸出功率。用這種器件做成步進電動機驅(qū)動器，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定及運行可靠等優(yōu)點。目前已應用于中、小功率步進電動機的驅(qū)動。驅(qū)動器控制電路發(fā)展的一個重要方面是集成電路專用芯片的采用。如F/V變換器(LM2917)，V/W變換器(SG3525，TL494)，微步控制與功率器件集成在一起的芯片(A3955SB)等，更使步進電機驅(qū)動器的研制上了一個新臺階，使其性能指標有了顯著的提高。使步進電動機的控制系統(tǒng)達到了一個新的水平。其它一些控制技術(shù)，如矢量控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡控制等也獲得了飛速發(fā)展和應用。步進電動機今后的發(fā)展，依賴于新材料的應用，設計手段的完善，以及與驅(qū)動技術(shù)的最佳配合。首先，精確的分析和設計，模型的建立和完善，是一項重要的基礎研究，至今還有很多工作要做，它可以為各類問題的深入分析提供基礎，為優(yōu)化設計指出方向。其次，電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，高性能永磁材料的應用及優(yōu)化設計技術(shù)起到明顯的作用自不待說，驅(qū)動技術(shù)改進的作用也不容忽視，特別是微步驅(qū)動技術(shù)的應用和成熟，使步進電動機的分辨率和特性與相數(shù)的關(guān)系不大，對步進電動機的設計，今后的發(fā)展會產(chǎn)生很大的影響，也提出了一系列新的研究課題和方向。

1.2 研究主要內(nèi)容及其意義     

     隨著步進電動機系統(tǒng)在各種數(shù)字控制系統(tǒng)中的廣泛應用，各種數(shù)字控制系統(tǒng)隨步進電動機性能和使用條件的要求也越來越高。這就要求不斷研制出高性能高可靠性高集成化低價位的驅(qū)動器和低成本的單片機控制滿足需求。眾所周知，國內(nèi)對這方面的研究一直很活躍，但是可供選用的高性能的步進電動機驅(qū)動器卻很少，而且國內(nèi)的驅(qū)動器方面基本都存在著體積大、外形尺寸不規(guī)則、性能指標不穩(wěn)定及遠沒有達到系列化等問題，這就給驅(qū)動器的選用和安裝帶來了極大的不便，另外，隨著國內(nèi)單片機技術(shù)的發(fā)展，更精度的步進電動機控制技術(shù)也得到很大的發(fā)展。國外雖然有通用的各種類型的步進電動機驅(qū)動器，但大都存在價格昂貴，與我國的系統(tǒng)連接不匹配等問題。步進電動機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅(qū)動器；在驅(qū)動電源的設計方面目前采用更多的是由單片機提供脈沖驅(qū)動信號。步進電動機系統(tǒng)的性能，除與電動機自身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動器的性能。步進電動機在運行時，一般有以下問題:各相繞組都是開關(guān)工作，多數(shù)電動機繞組都是連續(xù)的交流或直流，而步進動機各相繞組都是脈沖式供電所以繞組電流不是連續(xù)的。電動機各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以都有較大的電感。繞組通電時，電流不能迅速上升至額定值，電流上升率受到限制，繞組斷電時，應該電流截止的相不能立即截止。繞組導通和截止都會產(chǎn)生較大的反電勢，而截止時反電勢將對驅(qū)動級器件的安全產(chǎn)生有害的影響。電動機運轉(zhuǎn)時在各相繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，這些電勢的大小和方向?qū)�對繞組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢基本上與電動機轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電勢越大，繞組電流越小，從而使電機輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。步進電動機的固有分辨率不高，不能精密位移。以應用最廣的8極50齒兩相混合式步進電動機為例，其步距角為0.9°/1.8°，需配合機械減速機構(gòu)以達到所需要的脈沖當量精度，但是，機械系統(tǒng)的增加也同時帶來了一個誤差源。步進電動機在低頻運行時的振蕩及過沖問題，嚴重限制了步進電動機的應用范圍。對這個問題的解決辦法，除了改善負載特性及附加機械阻尼外，還可以在驅(qū)動電源方面加以改善，如引入電磁阻尼、采用細分驅(qū)動等辦法來解決。

在機電一體化中，步進電機是最常用的一種執(zhí)行電機，它實現(xiàn)了機械中的角度、位移的數(shù)字化控制，從而使機械控制的精度大大提高。現(xiàn)代控制技術(shù)中普遍采用的方式為開環(huán)控制和閉環(huán)控制，開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單成本低但其精度不是太高；閉環(huán)控制可以實現(xiàn)高精度的控制，但其結(jié)構(gòu)復雜投入成本高。步進電機的出現(xiàn)解決了這一技術(shù)難題，它使得開環(huán)控制的精度和速度大大提高，由它組成的步進式伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字化機械生產(chǎn)過程。步進電機可以直接用數(shù)字信號驅(qū)動，使用非常方便。一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進電動機則有定位和運轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。因此非常適合于單片機控制[2]

1.3 步進電機的單片機控制優(yōu)點

控制系統(tǒng)對步進電機的控制通過步進電機驅(qū)動器來完成。因此它已經(jīng)被廣泛地用于自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。原來的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調(diào)試安裝復雜，要消耗大量元器件，實現(xiàn)起來成本高、費時多，而且一旦定型后，電路就很難改動，因此不得不重新設計控制器。

單片機是一種微型計算機，它在一個集成芯片中，集成有微處理器（CPU）、存儲器（RAM和ROM）、基本的I/O接口以及定時/計數(shù)部件，即在一個芯片上實現(xiàn)了一臺微型計算機的基本功能[3]。

步進電機的控制部分以單片機為主的微處理器控制具有如下優(yōu)點：1.靈活性和適應性。微處理器的控制方式是有軟件完成時，如果需要修改控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路，只需修改程序即可。在系統(tǒng)調(diào)試和升級時，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便。2.可以實現(xiàn)較復雜的控制，控制精度高。微處理器具有很強的邏輯功能、運算速度快、精度高、有大量的存儲單元，因此有能力實現(xiàn)復雜的控制。3.可提供人機界面。在電機控制中要用到鍵盤和顯示器作為人機界面來實現(xiàn)對步進電機的控制。單片機體積小，重量輕，抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，價格低廉，指令功能強，運行速度快，可靠性高及靈活性好開發(fā)也較為容易，國內(nèi)近些年來已將其廣泛應用[4]。

在該設計中我選用了MSC-51作為步進電機的控制器, 用它來實現(xiàn)步進電機的空載時的一些控制功能。

2.1 步進電動機的基本原理

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)。步進電機可以直接用數(shù)字信號驅(qū)動，使用非常方便。一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進電動機則有定位和運轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(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。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；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的特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單，廣泛應用于各種開環(huán)控制[5]。   

2.2 步進電動機分類

步進電機的品種規(guī)格很多，現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（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；反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉(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。這種步進電機的應用最為廣泛，也是本方案所選用的步進電機[6]。

2.3 步進電機的一些基本參數(shù)

2.3.1 電機的拍數(shù)

完成一個磁場周期性變化所需脈沖用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，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。

2.3.2 電機固有步進角

  它表示控制系統(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)[7]。

2.3.3 步進電機的相數(shù)

產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(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，其步距角也不同，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)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角[8]。

2.4 步進電機結(jié)構(gòu)      

電機轉(zhuǎn)子均勻分布著 40個小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A'與齒5相對齊，（A'就是A，齒5就是齒1）

    2.4.1 步進電機的旋轉(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應與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。       如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。   

    如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て ，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て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A„„通電，電機就反轉(zhuǎn)[9]。       由此可見：電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關(guān)系，而方向由導電順序決定。

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-BC－C-CA-A這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/font>1/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/font>1/12て，1/24て，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/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導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[10]。      2.5 步進電動機的控制原理       由于步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專用設備—步進電機控制驅(qū)動器，控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列。環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進電機驅(qū)動電源的各項輸入端，以驅(qū)動步進電動機的轉(zhuǎn)動。環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器、另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱為硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅(qū)動步進電機的目的[11]。