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1、 I 摘 要本文先介绍了混合式步进电机的结构和工作原理，分析了细分驱动对于改善步进电机运行性能的作用，论述了正弦波细分驱动可以实现等步距角、等力矩均匀细分驱动的原理，提出了一种基于H桥和其他分立元件分配脉冲的驱动技术，该方案可实现步进电机的单拍、半拍、双拍三种工作方式。本文采用控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、液晶显示电路组成，单片机是控制系统的核心。文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的介绍。关键词：单片机；正弦脉宽调制；混合式步进电机；细分驱动The Design of Stepper Motor ControllerABSTRACTIn
2、 this paper, the working principle and configuration of three-phase hybrid Stepper are introduced, then based on technologies such as stepper motor controller, PWM inverter and microcontroller. In the thesis, we develop a single chip computer -based digital controlling system for a three-phase hybri
3、d stepper motor that is mainly constructed from a AT89C51 single chip computer and ST7920IC which is used as the core of control parts. The systems whole architecture, the design of hardware and software are introduced in detail.KEY WORDS: Microcontroller，SPWM，Hybrid stepper motor，Micro-stepping dri
4、ver目 录1绪论1.1 步进电机概述11.2 步进电机的特征11.3 步进电机驱动系统概述21.4 课题研究的主要内容32 步进电机驱动系统的方案论证52.1 步进电机驱动系统简介52.2 步进电机驱动器的特点52.3 混合式步进电机的驱动电路分类和性能比较62.3.1 双极性驱动器与单极性驱动器62.3.2 单电压驱动方式82.3.3 高低压驱动方式92.3.4 斩波恒流驱动102.4 方案的确定113 混合式步进电动机驱动控制系统硬件设计123.1单片机最小系统123.2 红外遥控电路133.2.1 红外发射电路133.2.2 红外接收电路153.3 LCD显示电路153.4 双机通讯1
5、73.5 步进电机驱动部分173.5.1 单极性步进电机驱动173.5.2 双极性步进电机驱动183.6 电源电路194 软件设计214.1 主机LCD显示菜单程序214.2 双机通讯程序224.3 下位机步进电机驱动程序245 驱动器试验结果255.1 概述255.2 试验内容和结论25总结27致谢28参考文献291 绪论1.1 步进电机概述步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角)。脉冲输入越多，电机转子转过的角度就越多；输入脉冲
6、的频率越高，电机的转速就越快。因此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。步进电机种类，根据自身的结构不同，可分为常用三大类:反应式(VR，也称磁阻式)、永磁式(PM)，混合式(HB)。其中混合式步进电机兼有反应式和永磁式的优点，它的应用越来越广泛。1.2 步进电机的特征步进电机具有自身的特点，归纳起来有：（1）位置及速度控制简便：步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转而得到灵活的角度控制(位置控制)。因为速度和输入脉冲的频率成正比，运转速度可在相当宽范围内平滑调节。（2）可以直接进行
7、开环控制：因为步距误差不长期累积，可以不需要速度传感器以及位置传感器，就能以输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系统。（3）高可靠性：不使用电刷，电机的寿命长，仅取决于轴承的寿命。（4）具定位保持力矩：永磁式、混合式步进电机在停止状态下(无脉冲信号输入时)，仍具有励磁保持力矩，故即使不靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持。（5）中低速时具备高转矩：步进电机在中低速时具有较大的转矩，能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。同时，步进电机也有自己的一些缺点：步进电机带惯性负载的能力较差。不能直接使用普通的交直流电驱动，而必须使用专用设备-步进电机驱动器。输出转矩随转速的升高而下降。从应用
8、的角度来看，严重制约步进电机的两个问题是失步和振荡。由于步进电机在大多数情况下采用开环运行的方式，它的主要运行性能完全依赖于驱动器、负载和电机本身。有多种情况会产生失步，比如起动或停止频率超过突跳频率，电机高速运行的脉冲频率超过了最大运行频率，所带负载转矩超过了起动转矩，共振等。通过改善驱动器的性能，可以减小运行中失步的可能。步进电机的低频振荡是另一个需要解决的问题。步进电机在极低频率下做连续步进运行，即每改变一次通电状态，转子转过一个步距角。如果阻尼较小，这种运动是一个衰减的振荡过程，转子是按自由振荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置而停止下来。每来一个脉冲，转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一
9、次能量的补充，这种能量越大，振荡越厉害。当脉冲频率等于或者接近于电机的自由振荡频率时电机会出现严重的低频共振，甚至失步导致无法工作。一般不允许在共振频率下运行，从驱动器的方面来看，使用细分驱动技术可以有效的克服低频共振的危害。1.3 步进电机驱动系统概述步进电机的工作必须使用专用设备步进电机驱动器。驱动器针对每一个步进脉冲，按一定的规律向电机各相绕组通电(励磁)，以产生必要的转矩，驱动转子运动。步进电机、驱动器和控制器构成了不可分割的3大部分。步进电机驱动系统的性能除与电机自身的性能有关外，在很大程度上取决于驱动器性能的优劣。当电机和负载己经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动控制方法
10、。步进电机驱动方式的发展先后有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动和细分驱动等.(1) 单电压驱动：主要特点是结构简单、成本低，通常在绕组回路中串接电阻，以改善电路的时间常数来提高电机的高频特性。缺点是串接电阻将产生大量的热，对驱动器的正常工作极其不利，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。(2) 高低压驱动：电机每相绕组导通时，首先施加高电压，使电流快速上升，当电流上升到额定值时，将高电压切断，回路电流以低电压电源维持。这种方式由于电流波形得到了很大改善，电机的矩频特性较好，起动和运行频率得到了较大提高。但由于电机旋转反电势、相间互
11、感等因素的影响易使电流波形的顶部呈凹形，致使电机的输出转矩有所下降且需要双电源供电。(3) 斩波恒流驱动：为了弥补高低压驱动电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，人们研制出斩波电路，采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而斩波恒流驱动应用相当广泛。(4) 调频调压驱动：特点是施加在电机绕组的电压随工作频率的变化作相应的改变，步进电机在低频时工作在低压状态，减少能量的注入，从而抑制振荡；在高频时工作在高压状态，使电机有足够的驱动力矩。因而系统效率、运行特性等都有了明显改善。(5) 细分驱动
12、：它是将电机绕组中的电流细分，由常规的矩形波供电改为阶梯波供电。这样，绕组中的电流经过若干个阶梯上升到额定值，或以同样的方式从额定值下降。虽然细分驱动电路的结构比较复杂，但在不改变电机内部参数的情况下，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一，使步距角不再受电机结构和制造工艺的限制。由于绕组的电流变化幅度也大大减小，从而极大的改善步进电机运行的平稳性，提高匀速性，减轻甚至消除振荡。近几年来，由于微处理机技术的发展，细分驱动技术在驱动器中获得了广泛应用。1.4 课题研究的主要内容本课题以设计一套基于单片机和步进电机细分控制技术的步进电机驱动器为主要目标，主要内容有：(1) 采用正弦脉宽调制技术、
13、电流跟踪技术和细分技术实现对电机相电流的控制，以克服传统驱动技术下步进电机低速振动、存在共振现象、噪音大、高速转矩小等缺点。(2) 用开关电源为驱动器内部电路供电，减小驱动器的体积和重量，提高电源效率。(3) 驱动器的采用分立元件组成单电压驱动来驱动单极性步进电机用H桥驱动双极性步进电机，因此只用一路电源，使系统设计极为简化。(4) 控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及液晶显示芯片ST7920，单片机是控制系统的核心。采用了单排6键的键盘、液晶显示芯片ST7920，该芯片能自动完成对显示的刷新，自带有中文字库，使用非常方便。双机通讯电路，该电路
14、能大大节省主机CPU的开销，提高了可靠性和电路的工作效率。2 步进电机驱动系统的方案论证2.1 步进电机驱动系统简介步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进电机驱动器。步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步
15、进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。2.2 步进电机驱动器的特点步进电机的驱动特点主要体现在以下几个方面：(1) 各相绕组都是开关工作。多数电机绕组都是连续的交流或直流供电，而步进电机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是断续的。(2) 步进电机各相绕组都是在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。绕组通电时，电流上升受到限制，因此影响电机绕组电流的大小。(3) 绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有
