高精度步進電機控制系統(tǒng)的研究畢業(yè)論文

1、摘 要步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行機構(gòu)，步進電機的主要優(yōu)點是有較高的定位精度，無位置累積誤差，并且特有的開環(huán)運行機制，與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比減少系統(tǒng)成本，提高了可靠性，在數(shù)控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，步進電機在低速運行時的振動、噪聲大，在步進電機的自然振蕩頻率附近運行時易產(chǎn)生共振，輸出轉(zhuǎn)矩隨著步進電機的轉(zhuǎn)速升高而下降，這些缺點制約了步進電機的應(yīng)用范圍。步進電機的使用離不開步進電機驅(qū)動器，步進電機的運行性能與步進電機驅(qū)動器的優(yōu)劣密切相關(guān)。傳統(tǒng)的驅(qū)動方式偏重使步進電機繞組電流以盡可能短的時間上升到額定值，從而提高電機高速運行時的轉(zhuǎn)矩，造成低速運行時的振動和噪音加大。并且為滿足用戶對不

2、同步距角的要求。本文在調(diào)研各種驅(qū)動技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計實現(xiàn)了基于電流追蹤型脈寬調(diào)制(PWM技術(shù)的多細分兩相混合式步進電機驅(qū)動器，包括硬件設(shè)計、軟件實現(xiàn)。正弦電流細分技術(shù)基本上克服了傳統(tǒng)步進電機低速振動大和噪音大的缺點，減小發(fā)生共振的幾率。電流追蹤型脈寬調(diào)制(PWM技術(shù)使電機運行在較大速度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩保持恒定。以滿足不同用戶和不同電機的要求, 該驅(qū)動器的功率驅(qū)動部分使用NMOS 智能功率模塊，提高了驅(qū)動器可靠性。驅(qū)動器細分運行時減弱了混合式步進電機的低速振動，電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，大大減輕了噪聲; 同時該驅(qū)動器具有較小的體積、較低的成本和較高的可靠性。關(guān)鍵詞: 混合式步進電機 細分驅(qū)動器 脈寬調(diào)制Abstr

3、actThe stepper motor is an electromechanical device that converts electrical pulses into discrete mechanical movements. The advantages of stepper motor are precise positioning and non-cumulative movement error from one step to the next. Compared to closed loop control, open loop operation of stepper

4、 motor is more reliable and less expensive. The disadvantages in using a step motor are vibration and noise at low speeds, resonance when the motor is operated at or around the natural resonance frequency, motor torque decreasing with speed increasing. These disadvantages limit step motors applicati

5、on.Step motor cannot work without step motor driver. Its performance is close related to stepper motor driver. Traditionally, a motor driver is to provide the rated current to the motor windings in the shortest possible time, helping to maintain high speed torque. As a result, motors vibration and n

6、oise is greater at low speeds. Otherwise, many types of step motor and driver have to be produced in order to satisfy customers need for different step anglesAfter study many kinds of driver technology, a microstepping driver for two-phase hybrid stepper motor has been designed. The driver adopts si

7、ne wave current subdividing and current tracking PWM technology. Sine wave current subdividing technology not only overcomes the disadvantages of motors vibration and noise at low speeds but also reduces probability of resonance. Current tracking PWM technology can maintain constant torque within wi

8、de speed range. Output phase current that can meet the need ofdifferent customer and motor. The power stage of this driver uses NMOS intelligent power module that provides high reliability.This microstepping driver reduce vibration and noise of step motor.It has small size, low cost and high reliabi

9、lity.KeyWords ：Hybrid stepper motor Microstepping driver PWM目 錄第1章 緒 論 . - 1 -1.1 步進電機概述 . . - 1 -1.2 步進電機特怔 . . - 2 -1.3 步進電機國內(nèi)外發(fā)展趨勢 . . - 3 -1.4 主要研究內(nèi)容 . . - 5 -第2章 步進電機的工作原理 . - 7 -2.1 步進電機的結(jié)構(gòu) . . - 7 -2.2 步進電機的工作原理 . . - 7 -2.3 步進電機的控制方法 . . - 9 -2.4 PID 控制算法的應(yīng)用及設(shè)計 . - 14 -2.5 本章小結(jié) . . - 17 -第3章

10、 步進電機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 . - 19 -3.1 步進電機的控制電路 . . - 21 -3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路 . - 26 -3.3 步進電機的驅(qū)動電路 . . - 28 -3.4 信號的放大電路 . . - 30 -3.5 步進電機的檢測電路 . . - 31 -3.6 H 橋電路 . - 33 -3.7 本章小結(jié) . - 36 -第4章 步進電機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 . - 37 -4.1 軟件設(shè)計的基本原則 . . - 37 -4.2 主程序設(shè)計 . . - 38 -4.3 本章小結(jié) . . - 41 - 總 結(jié) . - 42 - 致 謝 . - 43 - 參考文獻 . - 44

11、- 附錄1：高精度步進電機控制系統(tǒng)原理圖（1） . - 46 -高精度步進電機控制系統(tǒng)原理圖（2） . - 47 -第1章 緒 論1.1 步進電機概述步進電機又稱脈沖電機或階躍電機，它是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電機。它可以看作是一種特殊運行方式的同步電動機，由專用電源供給電脈沖，每輸入一個脈沖，步進電機就移動一步。這種電動機的運動形式與普通迅速旋轉(zhuǎn)的電動機有一定的差別，它是步進式運動的，所以稱步進電動機。又因其繞組上所加的電源式脈沖電壓，有時也稱它為脈沖電動機。步進電機受脈沖信號控制，它的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比，所以電機的線速度或轉(zhuǎn)

12、速也與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低就可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，并能快速起動、制動和反轉(zhuǎn)。所以，電機步距角和轉(zhuǎn)速大小都不受電壓波動和負載變化的影響，也不受環(huán)境條件如溫度、氣壓、沖擊和振動等影響。它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，在不丟步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。這些特點使它廣泛使用十?dāng)?shù)字控制的開環(huán)系統(tǒng)中，并使整個系統(tǒng)大為簡化又運行可靠。步進電機有多種不同的結(jié)構(gòu)，主要類型可分為反應(yīng)式步進電機、永磁式步進電機和混合式步進電機。近20多年來，步進電機驅(qū)動技術(shù)和電機結(jié)構(gòu)都得到了很大的發(fā)展，逐漸形成以混合式及反應(yīng)式為主的產(chǎn)品格局?；旌鲜讲竭M電動機是在同步電動機或者說是在永磁感應(yīng)子式同

13、步電動機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其綜合了該兩類步進電機的特點，因此性能更好。國外步進電機研究較早，步進電機驅(qū)動技術(shù)的研究成果也很多，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)。我國步進電機的研究及制造始十上世紀(jì)50年代后期，對步進電機精確模型也做了大量研究工作，如今，各種步進電機及其驅(qū)動器作為產(chǎn)品被廣泛利用。1.2 步進電機特怔步進電機具有自身的特點，歸納起來有：1. 步進電機最大特征是能夠簡單的做到高精度的定位控制以5相步進電機為例，其定位基本單位(分辨率或稱步距角 為0.72 (整步/0.36（半步 ，是非常小的，停止定位精度誤差皆在每步35%以內(nèi)，且無累積誤差，故可達到高精度的定

14、位控制。2. 位置及速度控制簡便步進電機在輸入脈沖信號時，可以依輸入的脈沖數(shù)量做固定角度的旋轉(zhuǎn)而得到靈活的角度控制(位置控制 。因為速度和輸入脈沖的頻率成正比，運轉(zhuǎn)速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。3. 可以直接進行開環(huán)控制因為步距誤差不長期累積，可以不需要速度傳感器以及位置傳感器，就能以輸入的脈沖數(shù)量和頻率構(gòu)成具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)。4. 高可靠性不使用電刷，電機的壽命長，僅取決于軸承的壽命。5. 具定位保持力矩永磁式、混合式步進電機在停止?fàn)顟B(tài)下(無脈沖信號輸入時 ，仍具有勵磁保持力矩，故即使不靠機械式的剎車，也能做到停止位置的保持。6. 中低速時具備高轉(zhuǎn)矩步進電機在中低速時具有較大的轉(zhuǎn)矩，

15、能夠較同級伺服電機提供更大的扭力輸出。同時，步進電機也有自己的一些缺點:（1）步進電機帶慣性負載的能力較差。（2）不能直接使用普通的交直流電驅(qū)動，而必須使用專用設(shè)備步進電機驅(qū)動器。（3）輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。（4）從應(yīng)用的角度來看，嚴(yán)重制約步進電機的兩個問題是失步和振蕩。由于步進電機在大多數(shù)情況下采用開環(huán)運行的方式，它的主要運行性能完全依賴于驅(qū)動器、負載和電機本身。有多種情況會產(chǎn)生失步，比如起動或停止頻率超過突跳頻率，電機高速運行的脈沖頻率超過了最大運行頻率，所帶負載轉(zhuǎn)矩超過了起動轉(zhuǎn)矩，共振等。通過改善驅(qū)動器的性能，可以減小運行中失步的可能。步進電機的低頻振蕩是另一個需要解決的問題。步進

16、電機在極低頻率下做連續(xù)步進運行，即每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個步距角。如果阻尼較小，這種運動是一個衰減的振蕩過程，轉(zhuǎn)子是按自由振蕩頻率振蕩幾次才衰減到新的平衡位置而停止下來。每來一個脈沖，轉(zhuǎn)子都從新的轉(zhuǎn)矩曲線的躍變中獲得一次能量的補充，這種能量越大，振蕩越厲害。當(dāng)脈沖頻率等于或者接近于電機的自由振蕩頻率時電機會出現(xiàn)嚴(yán)重的振動，甚至失步導(dǎo)致無法工作，這就是步進電機的低頻共振現(xiàn)象。一般不允許在共振頻率下運行，從驅(qū)動器的方面來看，使用細分驅(qū)動技術(shù)可以有效的克服低頻共振的危害。1.3 步進電機國內(nèi)外發(fā)展趨勢雖然步進電機是一種數(shù)控元件，一般數(shù)字電路的信號能量遠遠不足以驅(qū)動步進電機，必須有一個與之匹配

17、的驅(qū)動電路來驅(qū)動步進電機。步進電機本體和步進電機驅(qū)動電路兩者密不可分地組成步進電機系統(tǒng)。步進電機驅(qū)動電源同步進電機本身是一個整體，其性能好壞直接影響步進電機系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。多年來，步進電機系統(tǒng)尤其是其中的驅(qū)動電路部分也不斷地發(fā)展，國內(nèi)外圍繞步進電機驅(qū)動電路做了大量的研究與開發(fā)?，F(xiàn)主要從以下兩個方面對其發(fā)展及國內(nèi)研制概況進行論述：1.放大級使用元件情況驅(qū)動電源性能的好壞及可靠性，在很大程度上與末級功放所用的功率元件直接相關(guān)。最初使用的末級功放兀件是可控硅。可控硅是一種脈沖觸發(fā)的開關(guān)器件，它突出的優(yōu)點是輸入功率小、輸出功率大、耐壓高、成本較低。在七十年代由十國內(nèi)大功率高低壓晶體管較少，所以用可控硅

18、為功率器件的驅(qū)動器曾一度占據(jù)主流?？煽毓桦m然觸發(fā)簡單，但關(guān)斷困難，容易形成誤觸發(fā)，可靠性差，抗干擾能不好。近年來隨著大功率晶體管的發(fā)展一般不再采用。具有控制方便、開關(guān)速度快以及元件損耗小等優(yōu)點，并目_由十采用先進的設(shè)計，晶體管的開關(guān)特性和耐壓過流能力有了相當(dāng)大的改進，因此近幾年國內(nèi)外絕大多數(shù)的驅(qū)動電源使用晶體二極管作為末級功放元件。進年來，V 形槽金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(VMOSFET綜合了大功率雙極晶體管和場效應(yīng)晶體管的優(yōu)點，具有大功率、耐高壓、高增益的特點，因而可大大提高驅(qū)動電源的可靠性。隨著成本的降低及使用經(jīng)驗的積累，越來越多的驅(qū)動電源將會使用MOSFET 作為末級功放元件。2.驅(qū)

19、動電源電路結(jié)構(gòu)的發(fā)展不同形式的功率放大電路對電機性能的影響各不相同，這種不同形式的功率放大電路的差別主要是功率放大電路中不同的輸出級結(jié)構(gòu)。單電壓的驅(qū)動電路在二十世紀(jì)六十年代初國外就已大量使用，它的主要特點是線路結(jié)構(gòu)簡單和成本低，電機的高頻特性好。缺點是功耗較大，因為它一般用十小功率或啟動、運行頻率要求不高的場合。高低壓驅(qū)動電路在六十年代末出現(xiàn)，是隨著對步進電機要求大功率驅(qū)動和高頻工作出現(xiàn)的。它的特點是改善了電流波形，電機的轉(zhuǎn)矩特性很好，啟動和運行頻率得到很大的提高。但由十電機旋轉(zhuǎn)反電勢和互感等因素的影響，易使電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機的輸出力矩有所下降。為了彌

20、補高、低壓驅(qū)動電路的高、低壓電流波形在連接處為凹形的缺陷，提高輸出轉(zhuǎn)矩，七十年代中期研制出斬波電路，該電路由十采用斬波技術(shù)，使繞組電流在額定值上下成鋸齒波形波動，電流繞組的有效電流相應(yīng)的增加，故電機的輸出轉(zhuǎn)矩增大，能基本上保持恒定; 整個系統(tǒng)的功耗非常小，電源效率較高，因恒流斬波電路應(yīng)用相當(dāng)廣泛。細分驅(qū)動電路在七十年代中期由美國學(xué)者首次提出，它通過控制電動機各相繞組中電流的大小和比例，使步距角減小到原來的幾分之一至幾十分之一。細分驅(qū)動能極大地改善步進電機運行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除振蕩。近幾年來，由十微處理機技術(shù)的發(fā)展，細分電路獲得了廣泛應(yīng)用。國外對步進電機的研究一直很活躍。目前，國

21、外對步進電機的控制和驅(qū)動的一個重要發(fā)展方向是大量采用專用芯片，結(jié)果是大大縮小驅(qū)動器的體積，明顯提高了整機的性能。比較典型的芯片有兩類:一類芯片的核心是用硬件和微程序來保證步進電機實現(xiàn)合理的加減速過程，同時完成計步、正反轉(zhuǎn)等。對十開環(huán)使用的步進電機，實現(xiàn)合理的加減速過程便可使其達到較高的運行頻率后仍不失步或過沖。另一類芯片的核心是實現(xiàn)細分技術(shù)，內(nèi)部集成PWM 斬波控制和函數(shù)型雙極驅(qū)動電路細分控制功能。目前由十集成芯片受到耐壓、電流容量的限制，一般只能用十小功率步進電機的驅(qū)動。近年來，國外許多廠商相繼推出了多種步進電機控制與驅(qū)動芯片和多種不同功率等級的功率模塊，僅由幾個專用芯片和一個功率模塊便可構(gòu)

22、成一個功率齊全、性能優(yōu)異的步進電機驅(qū)動器?？傃灾?，國外所采用的集成技術(shù)到微電子技術(shù)、集成電路加工技術(shù)、電力電子技術(shù)的前沿。1.4 主要研究內(nèi)容目前國內(nèi)的步進電機驅(qū)動器一般都采用高低壓驅(qū)動方式或者調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動方式，這些驅(qū)動電路僅可實現(xiàn)基本步距的運行，可靠性不高，還存在運行速度低、缺乏保護電路、驅(qū)動效率低和發(fā)熱損耗大等缺點。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集成化的驅(qū)動電路。我國現(xiàn)有應(yīng)用的步進電機IC 芯片主要依賴進口，而且，其中許多步進電機驅(qū)動芯片僅提供整步和半步控制，大大約束了步進電機性能的進一步提高。與這類驅(qū)動方式相比，細分驅(qū)動可使步進電機獲得更小的步距角、更高的分辨率，因此，細分驅(qū)動有更佳的控制

23、效果。本課題的研究主要針對常用的兩相混合式步進電機，皆在進行使步進電機優(yōu)化運行的控制驅(qū)動芯片設(shè)計。兩相混合式步進電機是一種十分流行的步進電機，它即具有反應(yīng)式步進電機的高分辨率，每轉(zhuǎn)步數(shù)比較多的特點; 又具有永磁式步進電機的高效率，繞組電感比較小的特點，所以應(yīng)用十分廣泛。本課題的主要工作是設(shè)計一款步進電機細分控制驅(qū)動芯片，芯片內(nèi)部的PWM 控制回路和3位非線性DAC 可控制電機繞組電流工作在全步、半步、1/4步和1/8步(微步距 模式下。微步可提供更小的步距角，同時可減小在步進電機低速運轉(zhuǎn)時的扭矩變化和共振問題。 該芯片具備以下特點:1士1.5A 連續(xù)輸出電流 236V 最大輸出電壓3內(nèi)部PWM

24、 電流控制43位非線性數(shù)模轉(zhuǎn)換器 5快、混合和慢電流衰減模式 6內(nèi)部的續(xù)流二極管7內(nèi)部過熱關(guān)斷和欠壓保護電路第2章 步進電機的工作原理2.1 步進電機的結(jié)構(gòu)混合式步進電機的典型結(jié)構(gòu)主要由定子、轉(zhuǎn)子和機殼構(gòu)成。定子結(jié)構(gòu)包括定子磁極，繞組線圈和絕緣材料組成。定子上有多個磁極，每個磁極上繞有勵磁線圈，磁極末端有均勻的小齒。相對兩個磁極的勵磁繞組串聯(lián)在一起構(gòu)成一相的控制繞組，通電時，這兩個磁極的極性是相同的。按相數(shù)的多少分為不同結(jié)構(gòu)的混合式步進電機，常見的是2相、3相和5相混合式步進電機。轉(zhuǎn)子由環(huán)形永磁體及兩段鐵心組成，環(huán)形永磁體在轉(zhuǎn)子的中部，軸向充磁，使轉(zhuǎn)子一端極化為南磁極，另一端極化為北磁極。兩段

25、鐵心分別裝在永磁體的兩端，轉(zhuǎn)子鐵心上有小齒，兩段鐵心上的小齒相互錯開半個齒距。通常三相步進電機的轉(zhuǎn)子有50齒，兩段鐵心上的小齒相互錯開半個齒距，即錯開 6. 3，定轉(zhuǎn)子小齒的齒距通常相同。2.2 步進電機的工作原理步進電機的工作原理就是步進轉(zhuǎn)動。在一般的步進電機工作中，其電源都是采用單極性的直流電源。要是步進電機轉(zhuǎn)動，就必須對步進電機定子的各繞組已相當(dāng)?shù)氖菚r序進行通電。步進電機的步進過程可以用圖2-1來說明。該步進電機是一個四相感應(yīng)式步進電機，其定子的每一相都有一個電極，每個電極都只有一個齒，即磁極本身，故四相步進電機共有四對磁極共8個齒；其轉(zhuǎn)子有6個齒，分別為稱為0、1、2、3、4、5齒。直

26、流電源V 通過開關(guān)Sa 、Sb 、Sc 、Sd 分別對A 、B 、C 、D 相繞組輪流通電。開始時，開關(guān)Sb 接通電源，Sa 、Sc 、Sd 斷開，B 相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C 、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D 、A 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當(dāng)開關(guān)Sc 接通電源，Sb 、Sa 、Sd 斷開時，由于C 相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C 相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A 、B 相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A 、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A 、B 、C 、D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A 、B 、C 、D 方

27、向轉(zhuǎn)動。如果對一相繞組通電的操作稱為一拍，那么對A 、B 、C 、D 四相繞組通電需要四拍。對A 、B 、C 、D 四相繞組輪流通電一次稱為一個周期。從上面分析看出，該四相步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距，需要四拍操作。由于按A B C D A 相輪流通電，則磁場沿A 、B 、C 、D 方向轉(zhuǎn)動了360空間角，而這時沿ABCD 方向轉(zhuǎn)動了一個齒距的位置。在圖2-1中，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為6，故齒距角為60。對于一個步進電機，如果它的轉(zhuǎn)子數(shù)為Z ，它的齒距角，如公式2-1所示。 =Z2 =Z360 （式2-1）而步進電機運行N 拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距位置。實際上，步進電機每一拍就執(zhí)行一次步進，所以步進電機的步進

28、角的計算方法如式2-2所示。 = N=NZ360 （式2-2） 圖2-1 步進電機工作原理圖2.3 步進電機的控制方法在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，效果基本相同。沖量是指窄脈沖的面積，如圖2-2所示。這里所說的效果基本相同，指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如把各輸出波形用傅氏變換分析，則其低頻段的特性非常接近，僅在高頻段略有差異，這是PWM 控制的重要理論基礎(chǔ)。步進電機的相繞組是明顯的慣性環(huán)節(jié)，因此可以用PWM 技術(shù)來控制電機繞組的電流大小。 （a ） (b (c圖2-2 形狀不同而面積相同的各種脈沖把圖2-2（a ）所示的正弦半波分成N 等份

29、，就可把正弦半波看成是由N 個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于N ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅度而不等寬的矩形脈沖序列代替，使脈沖的中點和相應(yīng)正弦等分點的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積(沖量 相等，就可得到圖2-3所示的脈沖序列。這就是PWM 波形，可以看出，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM 波形和正弦波形是等效的。像這種脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM 波形，也稱為SPWM 波形。在PWM 波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正

30、弦波幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可。 圖2-3 正弦波的等效PWM 波按上述原理，在給出了正弦波頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM 波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確地計算出來。按照計算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM 波形。但是這種計算是很繁瑣的，正弦波的頻率、幅值等變化時，結(jié)果都要變化。較為實用的方法是采用調(diào)制的方法，即把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM 波形。通常采用等腰三角形作為載波，因為等腰三角形上下寬度與高度成線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波相交時，如在交點時刻控

31、制電路中開關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號幅值的脈沖，這正好符合PWM 控制的要求。當(dāng)調(diào)制信號為正弦波時，所得到的就是SPWM 波如圖2-4所示 。脈寬調(diào)制技術(shù)己經(jīng)在變頻器、整流器和電氣傳動中得到了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)是利用PWM 波控制功率半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖序列，實現(xiàn)弱電對強電的控制，并通過控制電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達到變壓變頻的目的。 圖2-4 SPWM波的實現(xiàn)根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM 調(diào)制方式分為異步調(diào)制、同步調(diào)制和分段同步調(diào)制。(1 同步調(diào)制在改變調(diào)制信號周期的同時成比例地改變載波周期，使載波頻率與信號頻率的比值(載波比

32、 保持不變。這種調(diào)制優(yōu)點是，在開關(guān)頻率較低時可以保證輸出波形的對稱性。但是這種調(diào)制，在信號頻率較低時，載波的數(shù)量顯得稀疏，電流的波形脈動較大，諧波分量劇增，電機的諧波損耗及脈動轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。另外，這種調(diào)制由于載波周期隨信號周期連續(xù)變化而變化，在利用微計算機進行數(shù)字化控制技術(shù)時，帶來極大不便，難以實現(xiàn)。(2 異步調(diào)制在調(diào)制信號周期變化的同時，載波周期仍保持不變，因此，載波比隨之變化。這種調(diào)制的缺點恰是同步調(diào)制的優(yōu)點。但是，在IGBT 等高速功率開關(guān)器件的情況下，由于載波頻率可以做得很高，上述的缺點己小到完全可以忽略的程度。反之，正由于是異步，在低頻輸出時，一個信號周期內(nèi)，載波個數(shù)成數(shù)量級的增多

33、，這對抑制諧波電流、減輕電機的諧波損耗及轉(zhuǎn)矩脈動大有好處。另外，由于載波頻率是固定的，也便于數(shù)字化控制。目前應(yīng)用最廣泛的是這種調(diào)制方式。(3 分段同步調(diào)制對于門極可關(guān)斷晶閘管(GTO之類開關(guān)頻率不很高的功率器件，單使用同步調(diào)制和異步調(diào)制都有失偏頗，此時采用分段同步調(diào)制。即在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的低速段采用異步調(diào)制，在恒功率區(qū)的高速段采用同步調(diào)制。但是，在調(diào)制比切換時可能出現(xiàn)電壓突變甚至振蕩。電流追蹤型PWM 控制基本思路是:將一個正弦波電流給定信號與電機電流實測信號相比較，若實際電流值大于給定電流值，則通過逆變器開關(guān)器件的動作使之減小，反之，則使之增加。使實際輸出電流圍繞著給定的正弦波電流作鋸齒形變化，并

34、將偏差限制在一定范圍內(nèi); 與此同時，逆變器輸出的電壓波成為PWM 波。這樣，如果逆變器的開關(guān)器件具有足夠高的開關(guān)頻率，則電機電流就能很快地調(diào)節(jié)其幅值和相位，使電機電流得到高品質(zhì)的動態(tài)控制。電流追蹤型PWM 控制主要有兩種，電流滯環(huán)控制型和固定開關(guān)頻率型。閉環(huán)控制，是各種電流追蹤型PWM 電路的共同特點。電流滯環(huán)控制型和固定開關(guān)頻率型各有各自的優(yōu)缺點。電流滯環(huán)型由于不需要三角載波環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)實現(xiàn)起來比較簡單。而固定開關(guān)頻率型在電磁噪聲和輸出電流諧波方面具有優(yōu)勢。在實際的步進電機驅(qū)動電路中可根據(jù)需要選擇合適的電流跟蹤型PWM 控制方式。2.4 PID控制算法的應(yīng)用及設(shè)計為了進一步改進控制器的方法

35、是通過檢測誤差的變化率來預(yù)報誤差，并對誤差的變化做出響應(yīng)，于是在PI 調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加上微分調(diào)節(jié)器，組成比例、積分、 微分（PID ）調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為：k p t u = (dt t de dt t e t e TT d i ( (1 (+ （式2-3）式中d T 為微分常數(shù)，越大微分作用越強。常規(guī)的PID 控制原理框圖如2-5所示。該系統(tǒng)有模擬PID 控制器和被控對象組成。圖中， (t r 是給定值， (t y 是系統(tǒng)的實際輸出值，給定值和實際值輸出值構(gòu)成控制偏差 ( ( (t y t r t e -=，其中 (t e 作為PID 控制器的輸入， (t U 作為PID 控制器的輸出和被

36、控對象的輸入。 圖2-5 PID控制原理圖下面分別討論比例調(diào)節(jié)器P ，積分調(diào)節(jié)器I ，微分調(diào)節(jié)器D 的作用：1. 比例調(diào)節(jié)器（P ）式中，K P 為比例系數(shù)，U 0為偏差e =r-y=0時的控制作用（如原始閥門開度，基準(zhǔn)電壓等）。比例調(diào)節(jié)器與偏差成正比例調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)及時，誤差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使被控量y 向減小偏差的方向變化，但這種調(diào)節(jié)使被控量y 存在靜差，即有殘留誤差，因為調(diào)節(jié)作用是以偏差的存在為前提條件的。只有在控制作用為u 0 時才會出現(xiàn)零靜差（此時偏差e=0）。提高放大系數(shù)K P 雖然可以減小靜差，但永遠不會使之減小到零，而且無止境地放大系數(shù)K P 最終將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

37、2. 比例積分調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)的系統(tǒng)存在靜差，為了消除靜差，在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)器，組成比例積分調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為：u(t=+dt t e t e T Ki p (1( （式2-4）式中Ti 為積分常數(shù)，Ti 越大積分作用越小。積分調(diào)節(jié)器的突出優(yōu)點是：只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時間不斷加強，直到偏差為零。在被調(diào)量的偏差消除后，由于積分規(guī)律的特點，輸出將停留在新的圍子而不回復(fù)原位，因此就能保持靜差為零。但單純的積分也有弱點，其動作過于遲緩，因而在改變靜態(tài)品質(zhì)的同時，往往使調(diào)節(jié)的動態(tài)品質(zhì)變壞，過度過程時間加長。因此在實際生產(chǎn)中往往在積分調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入比例調(diào)節(jié)，把比例

38、作用的及時性與積分作用的消除靜差的優(yōu)點結(jié)合起來構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器。3. 比例積分微分調(diào)節(jié)器（PID ）比例積分調(diào)節(jié)消除系統(tǒng)誤差需要經(jīng)過較長的時間，為進一步改進控制器，可以通過檢測誤差的變化率來預(yù)報誤差，根據(jù)誤差變化趨勢，產(chǎn)生強烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快的消除在萌芽狀態(tài)，數(shù)學(xué)上描述這個概念用微分，因此在PI 調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入微分調(diào)節(jié)，就構(gòu)成了比例積分微分調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為：k p t u =(dtt de dt t e t e TTdi( (1(+ （式2-5）式中Td 為微分常數(shù)，Td 越大微分作用越強。在PID 的調(diào)節(jié)器中，微分調(diào)節(jié)主要是用來加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)，克服振蕩。將P 、

39、I 、D 三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，既快速敏捷，又平滑準(zhǔn)確，只要三者強度配合適當(dāng)，便可獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。PID 調(diào)節(jié)的傳遞函數(shù)為：S SS E S U S D KKTKDPiP P*+*+=+=1 ( ( ( （式2-6）在工業(yè)過程控制中，模擬PID 調(diào)節(jié)器的執(zhí)行機構(gòu)有電動，氣動，液動等類型PID 調(diào)節(jié)規(guī)律用硬件實現(xiàn)。而在微機控制系統(tǒng)中采用了數(shù)字控制器，即用軟件來實現(xiàn)PID 控制，因此要將模擬PID 調(diào)節(jié)器離散化為數(shù)字PID 控制算法。數(shù)字PID 控制算法，是立足于連續(xù)系統(tǒng)PID 控制器的設(shè)計，然后用微機進行數(shù)字模擬，這種方法稱為模擬化設(shè)計方法。由于它要求較小的采樣周期，只能實現(xiàn)較簡單的控制算

40、法。選擇較大的采樣周期后對控制質(zhì)量有較高的要求時，就不能采用數(shù)字控制器的模擬化的設(shè)計方法，而應(yīng)該選擇數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法。數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法也稱為離散化的設(shè)計方法，在Z 平面上的設(shè)計方法，它根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，運用離散控制理論，直接設(shè)計控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器。與模擬化設(shè)計方法相比更具有一般的意義，它完全是根據(jù)采樣系統(tǒng)的特點進行分析與綜合，并導(dǎo)出相應(yīng)的控制規(guī)律的。利用微機軟件的靈活性，就可以實現(xiàn)從簡單到復(fù)雜的各種控制規(guī)律。為了實現(xiàn)微機控制生產(chǎn)過程變量，必須將模擬的PID 算式進行離散化，變?yōu)閿?shù)字PID 算式，為此，在采樣周期T 遠小于信號變化周期時，作如下近似（T 是足夠小時，如下逼近相

41、當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近）：u(tu(k （式2-7） e(te(k （式2-8）dt t e (t j e (=T e(j （式2-9）de/dte(k-e(k-1/t=e(k-e(k-1/T （式2-10）式中T 為采用周期，k 為采樣序號，k=0，1，2，j ，k 。 將上式帶入得出：-+=1( ( ( (k e k e j e T k e k u TT KDip +u 0（式2-11）其中，u （k ）為調(diào)節(jié)器第k 次輸出值；e （k ），e （k-1）分別為第k 次和第k-1次采樣時刻的偏差值。從上式可以看出，u （k ）是全量值輸出，每次輸出值都與執(zhí)行機構(gòu)的位置（如控制閥

42、門的開度）一一對應(yīng)，所以稱之為位置型PID 算法。在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，因此輸出的控制量u （k ）不僅與本次偏差有關(guān)，還與過去歷史采樣偏差有關(guān)，使得u （k ）產(chǎn)生大幅度變化，這樣會引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以在實際中當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時，可以采用增量型PID 算法，縣推導(dǎo)如下： 2( (2 ( ( ( ( (T kT e T kTe kT e kT e T kTe kT e kT u k kk dip-+-+-=（式2-12） 當(dāng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行期為步進電機，電動調(diào)節(jié)閥，多圈電位器等具有保持歷史為之的功能的這類裝置時，一般均采用增量P

43、ID 的控制算法。1. 增益K P 與系統(tǒng)快速性成正比，與系統(tǒng)的靜差成反比。但K P 過大將使系統(tǒng)超調(diào)過大，振蕩加劇，穩(wěn)定性變壞。2. 增大積分時間T I 有利于減小超調(diào)和振蕩，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，但消除靜差的過程將加大。3. 微分時間T D 與系統(tǒng)快速性成正比，并能使超調(diào)減小，穩(wěn)定性增加，但抗擾性將變差。根據(jù)上述結(jié)論，可按如下步驟對參數(shù)實行先比例，后積分，再微分的整定步驟。 采用比例控制，K P 由小變大。如果相應(yīng)時間，超調(diào)，靜差已達到要求，則只需要用比例控制即可，并由此確定比例增益K P 。如果靜差達不到要求，則加入積分控制，將K P 減小，例如每次減小到原來的90%，積分時間Ti 由大到小。

44、反復(fù)試湊多組K P ， K I 值，從中確定合適的參數(shù)。2.5 本章小結(jié)在闡述了步進電機的分類及其各自主要特點的基礎(chǔ)上，本章主要詳細介紹了混合式步進電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。同時，本章也歸納了步進電機的基本參數(shù)，最后詳細的介紹了兩相混合式步進電機的控制算法和控制方法，為第3章的硬件設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。第3章 步進電機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計本課題所要做的工作是基于單片機控制的兩相混合式步進電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究，主要包括系統(tǒng)控制電路的硬件設(shè)計和系統(tǒng)軟件設(shè)計。硬件電路構(gòu)成原理框圖參見如圖3-l 所示。驅(qū)動器作為外部信號與二相步進電動機的接口，接受外部的控制信號，然后驅(qū)動步進電機按給定的方式轉(zhuǎn)動。此驅(qū)動

45、器接受外部信號如：IN1反轉(zhuǎn)信號、細分狀態(tài)選擇信號信號、及脈沖信號后。當(dāng)接受到這些信號后，執(zhí)行相應(yīng)的動作。整個系統(tǒng)以AVR 系列中的ATMEGA16單片機為控制核心，ATMEGA16通過對輸入信號判斷比較，輸出存儲器中給定電流波形的控制信號，信號經(jīng)TLC7528轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號，該信號放大后和電機繞組中反饋回來的電流信號進行比較，若電流信信號大于控制電壓，電路將功放管截止，反之使功率放大管導(dǎo)通來驅(qū)動步進電機。D A 輸出不同的控制電壓，繞組中流過不同的電流值。由圖3-1中所示。 圖3-1 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖系統(tǒng)按功能可分為以下幾個部分： 1. 以ATMEGA16單片機為核心的細分電路單片機在

46、外部脈沖到來后，輸出正、余弦細分控制函數(shù)到TLC7528，通過D A 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。此外，單片機還要對外部信號，如細分狀態(tài)選擇信號、轉(zhuǎn)向控制信號、過流保護信號進行判斷處理，執(zhí)行相應(yīng)的操作。2. 反饋放大電路反饋放大電路主要是對電壓反饋信號濾波和放大處理，以便和H 橋的輸出電壓相比較，在經(jīng)過整形電路來做D 觸發(fā)器的輸入信號來進行相應(yīng)的信號驅(qū)動。采用的芯片為TL084。3. 功率與驅(qū)動電路驅(qū)動部分采用由D 觸發(fā)器輸出的信號作為驅(qū)動電路的輸入信號，而其輸出信號來作為H 橋的輸入信號來控制MOSFET 管。7047集電極開路六正相高壓驅(qū)動器。一個7407芯片可驅(qū)動一個橋臂上的MOSFET 管，功

47、率電路設(shè)計為H 橋式功率驅(qū)動電路，所以需要四個7407芯片，而這也只是來驅(qū)動電機的一相。4. 過流保護電路過流保護電路主要是對主功率電路進行保護，當(dāng)主回路電流高過一定值之后，保護電路輸出高電平，該信號電平被送至單片機進行判斷處理。當(dāng)保護信號為高電平時，邏輯電路輸出的八路信號全部被置為低電平，觸發(fā)器被封鎖，電機停止運行，實現(xiàn)保護目的。5. 光電隔離電路光電耦合器是實現(xiàn)光電耦合的基本器件，它主要有發(fā)光二極管與光敏元件相互絕緣的組合在一起，發(fā)光二極管是輸入回路，實現(xiàn)將電能轉(zhuǎn)換成光能；光敏元件為輸出回路，它將光能轉(zhuǎn)換成電能，實現(xiàn)了兩部分電路的電氣隔離，從而有效的抑制電干擾，此系統(tǒng)采用以集成的光電耦合器

48、6N137.6.PWM 斬波電路此論文用到的PWM 斬波電路，只是由該電路產(chǎn)生的波形來有效的控制MOSFET 管的開和關(guān)，進而得到系統(tǒng)所需要的信號。3.1 步進電機的控制電路根據(jù)本次課題的要求和各項性能的需要，硬件電路中的主控制器選用AVR 系列中的ATMEGA16。AVR 單片機是1997年由ATMEL 公司研發(fā)出的增強型內(nèi)置Flash 的RISC(Reduced Instruction Set CPU 精簡指令集高速8位單片機。AVR 的單片機可以廣泛應(yīng)用于計算機外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個領(lǐng)域。1. 在相同的系統(tǒng)時鐘下AVR 運行速度最快。 2. 芯片內(nèi)部的

49、Flash 、EEPROM 、SRAM 容量較大。3. 所有型號的Flash 、EEPROM 都可以反復(fù)燒寫、全部支持在線的編程燒寫。 4. 多種頻率的內(nèi)部RC 振蕩器、上電自動復(fù)位、看門狗、啟動延時等作用，零外圍電路也可以工作。5. 每個I/O口都可以來轉(zhuǎn)換驅(qū)動的方式輸出高、低電平，驅(qū)動能力強。 6.內(nèi)部資源豐富，一般都集成AD 、DA 模數(shù)器；PWM ；SPI 、USART 、TWI 、I2C 通信口，豐富的中斷源等。7.AVR 單片機支持匯編語言、C 語言、BASIC 等編程語言。AVRGCC 、C 語言編譯器由于它具有作用強大、運用靈活、代碼小、運行速度快等先天性的優(yōu)點，使它在專業(yè)程序

50、設(shè)計上具有不可代替的地位。先進的RISC 結(jié)構(gòu)：131條指令，32個8位通用工作寄存器和外設(shè)控制寄存器，工作于16MHZ 時，性能高達16MPS ，只需兩個時鐘周期的硬件乘法器。非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器：16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash ，512字節(jié)的EEPROM ，1K 字節(jié)的內(nèi)部SRAM 。JTAG 接口：遵循JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能，支持?jǐn)U展的內(nèi)片調(diào)試，通過JTAG 接口實現(xiàn)對Flash 、EEPROM 、熔絲位和鎖定位的編程。外設(shè)特點：兩個具有獨立的預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器，兩個具有預(yù)分頻器、比較功能和撲捉功能的16位定時器/計數(shù)器，具有獨立預(yù)分頻器的實時時鐘

51、計數(shù)器，兩路8位PWM ，4路分辨率可編程的PWM, 輸出比較調(diào)制器，8路10位ADC ，面向字節(jié)的兩線接口總線，兩個可編程的串行USART, 可工作于主機/從機模式的SPI 串行接口，具有獨立片內(nèi)振蕩器的的可編程看門狗定時器，片內(nèi)模擬比較器。特殊的處理器特點：上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測，片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC 振蕩器，片內(nèi)/片外中斷源，6種睡眠模式，可以通過軟件進行選擇的時鐘頻率，通過熔絲位可以選擇ATMEGA103兼容模式，全局上拉禁止功能。 I/O和封裝：32個可編程I/O口，40引腳PDIP 封裝、44引腳TOFP 封裝、44引腳MLF 封裝。AVR 的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-2所示： 圖3-2

52、 AVR結(jié)構(gòu)框圖在本模塊中單片機基本工作電路包括：電源電路, 控制電路, 晶振電路, 復(fù)位電路。單片機基本模塊如圖3-3所示。 圖3-3 主控制電路1. 電源電路10引腳VCC ：接+5V電源正端 11引腳GNG ：接+5V電源地端 2. 控制電路（1）PB0、PB2、PB3、PB6、PB7、PD4、PD5、PD6作為普通的I/O口，用于8位模擬量的傳輸。同時PB5 PB6 PB7 還是用其管腳的第二功能用于控制主機和從機的數(shù)據(jù)輸入輸出。如果是MISO ：SPI 通道的主機數(shù)據(jù)輸入，從機數(shù)據(jù)輸出端口。工作于主機模式時，不論DDB6 設(shè)置如何，這個引腳都將設(shè)置為輸入。工作于從機模式時，這個引腳的

53、數(shù)據(jù)方向由DDB6 控制。設(shè)置為輸入后，上拉電阻由PORTB6 控制。MOSI ： SPI 通道的主機數(shù)據(jù)輸出，從機數(shù)據(jù)輸入端口。工作于從機模式時, 不論DDB5 設(shè)置如何，這個引腳都將設(shè)置為輸入。當(dāng)工作于主機模式時，這個引腳的數(shù)據(jù)方向由DDB5控制。設(shè)置為輸入后，上拉電阻由PORTB5 控制。（2）PC0、PC1、PC2、PC3、PC4作為按鍵控制信號的是輸入。（3）PA0使用第一功能用作I/O口, 用于A/D轉(zhuǎn)換器中DACA 和DACB 通道的選擇。 （4）PA1用于檢測模塊輸出信號的反饋。（5）PC7用于控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器WR 高低電平的選取。 3. 晶振電路ATMEGA16單片機內(nèi)含有一個

54、高增益的反向放大器，通過XTAL1, XTAL2外接為反饋元件的晶體后便成為自基振蕩器，如圖3-4所示。XTAL1 振蕩放大器1。 XTAL2 振蕩放大器2。 圖3-4 晶振電路4. 復(fù)位電路主控制單片機的最小系統(tǒng)的復(fù)位電路采用上電復(fù)位。當(dāng)電源電壓低于上電復(fù)位22pF22pF1門限 VPOT 時， MCU 復(fù)位上電復(fù)位(POR 脈沖由片內(nèi)檢測電路產(chǎn)生。無論何時VCC 低于檢測電平POR 即發(fā)生。POR 電路可以用來觸發(fā)啟動復(fù)位，或者用來檢測電源故障。POR 電路保證器件在上電時復(fù)位。VCC 達到上電門限電壓后觸發(fā)延遲計數(shù)器。在計數(shù)器溢出之前器件一直保持為復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)VCC 下降時，只要低于檢測門限，RESET 信號立即生效，復(fù)位時所有的I/O 寄存器都