步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的軟件設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告電氣工程及其自動(dòng)化步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的軟件設(shè)計(jì)1選題的背景、意義步進(jìn)電機(jī)最早在1920年由英國(guó)人開發(fā)，50年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)工業(yè)和數(shù)字控制技術(shù)密切相關(guān)，產(chǎn)品按結(jié)構(gòu)劃分有磁阻式、永磁式和混合型等多種形式［1］。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多用于數(shù)控車床和機(jī)器人系統(tǒng)中。在現(xiàn)代工業(yè)，特別是航空、航天、電子等領(lǐng)域中，要求完成的工作量大，任務(wù)復(fù)雜，精度高，利用人工操作不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，且難以達(dá)到所要求的精度，還有一些工作環(huán)境是對(duì)人體健康有害的或人類無(wú)法到達(dá)的，這就需要數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人來(lái)完成這些工作。另外，在計(jì)算機(jī)外設(shè)和辦公室自動(dòng)化設(shè)備中也大量運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)，如磁盤驅(qū)動(dòng)、打印機(jī)、繪圖儀和復(fù)印機(jī)等。步進(jìn)電機(jī)作為數(shù)字式執(zhí)行元件，具有成本低、易控制、定位方便和步距誤差不長(zhǎng)、期累計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在數(shù)控裝置、繪圖機(jī)、機(jī)械手、印刷和包裝設(shè)備等工業(yè)、軍事和醫(yī)療自動(dòng)化領(lǐng)域中。在多種步進(jìn)電機(jī)中，混合式步進(jìn)電機(jī)集反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)于一身，應(yīng)用更加普遍。但是步進(jìn)電機(jī)在應(yīng)用中存在一些制約性的因素，步進(jìn)電機(jī)及其系統(tǒng)表現(xiàn)出諸如低速平穩(wěn)性差、高速快速響應(yīng)能力差、效率低和能耗大等。步進(jìn)電機(jī)多應(yīng)用于開環(huán)控制的場(chǎng)合，對(duì)轉(zhuǎn)子位置和角速度不做檢測(cè)，較容易在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生失步和振蕩。另外，步進(jìn)電機(jī)不能簡(jiǎn)單地直接接到普通的交直流電源上運(yùn)轉(zhuǎn)，它需要專門的驅(qū)動(dòng)控制器，步進(jìn)電機(jī)和與之配套的驅(qū)動(dòng)控制器密不可分，在電機(jī)本體選定的情況下，驅(qū)動(dòng)控制器的好壞很大程度上影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。通過(guò)研制高性能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器可以大大改善步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能，這對(duì)提高我國(guó)在這方面的科學(xué)技術(shù)水平起到了一定的促進(jìn)作用，拓寬了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的軟件開發(fā)不僅有著重大的現(xiàn)實(shí)意義，而且具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。2相關(guān)研究的最新成果及動(dòng)態(tài)近年來(lái)，伴隨著微電子技術(shù)大功率電力電子器件及驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍使用性能優(yōu)越的混合式步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)技術(shù)采用恒相電流與細(xì)分驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，使步進(jìn)電機(jī)在中、小功率控制系統(tǒng)內(nèi)的精度提高，并逐步向高速大功率應(yīng)用領(lǐng)域滲透.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大的生產(chǎn)國(guó)是日本，如日本伺服公司、東方公司、SANYODENKI和MINEBEA及NPM公司等［2］。細(xì)分驅(qū)動(dòng)的典型應(yīng)用有數(shù)控機(jī)床的四軸聯(lián)動(dòng)改造。由于現(xiàn)有的機(jī)床只能進(jìn)行三軸聯(lián)動(dòng)，而在生產(chǎn)中需要在圓錐面上加工凸輪運(yùn)動(dòng)曲線槽，通過(guò)工藝分析需要四軸聯(lián)動(dòng)的加工中心才能實(shí)現(xiàn)。而現(xiàn)有立式加工中心只能實(shí)現(xiàn)x、y、z三軸聯(lián)動(dòng)，配置高精度四軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)床的價(jià)格超出現(xiàn)有機(jī)床數(shù)倍，為此通過(guò)對(duì)現(xiàn)有機(jī)床的改造，利用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)第四軸，采用步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度控制，可滿足用戶精度的要求。近年來(lái)，對(duì)于不同類型和相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)采取不同的細(xì)分電流控制策略是研究的一大熱點(diǎn)。如有關(guān)資料指出，對(duì)于兩相雙極型混合式步進(jìn)電機(jī)，采用正余弦形的驅(qū)動(dòng)電流較為理想，而對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般采用諧波較少的階梯型驅(qū)動(dòng)電流較為理想。細(xì)分驅(qū)動(dòng)在噴膜機(jī)中也有應(yīng)用，采用8052微處理機(jī)，具有8K字節(jié)的ROM,256字節(jié)的RAM°8位DA轉(zhuǎn)換器AD7524通過(guò)鎖存器與單片機(jī)的數(shù)據(jù)線相連,構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)發(fā)生器，用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。我們采用軟件的方法實(shí)現(xiàn)脈沖分配器。將電機(jī)四細(xì)分驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中。當(dāng)電機(jī)逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，自上而下走表索取控制量；當(dāng)電機(jī)順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，自下而上走表索取控制量，這樣就可以控制電機(jī)上的電流的大小。其中控制量的最高位是方向控制信號(hào)，低7位存儲(chǔ)電機(jī)脈沖信號(hào)的大小［3］。3課題的研究?jī)?nèi)容及擬采取的研究方法（技術(shù)路線）、研究難點(diǎn)及預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制是由驅(qū)動(dòng)器精確控制其相電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。以四相電機(jī)為例，假如電機(jī)的相電流為2A，使用常規(guī)驅(qū)動(dòng)方式（如常用的恒六載波方式）驅(qū)動(dòng)電機(jī)的話，電機(jī)每運(yùn)行一步，其繞組內(nèi)的電流將從0突然變?yōu)?A或由2A突然變?yōu)?,相電流的巨大變化必然會(huì)引起電機(jī)運(yùn)行的振蕩和噪聲。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，在10細(xì)分相狀態(tài)下進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)每走一微步，其繞組內(nèi)的電流變化只有0.2A而不是2A，這樣就大大減少了電機(jī)的振蕩和噪聲，而提高步進(jìn)電機(jī)的性能才是細(xì)分的真正優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分器是將驅(qū)動(dòng)電流設(shè)計(jì)成可變的恒流源，通過(guò)控制繞組中的電流數(shù)值可以調(diào)整步進(jìn)電機(jī)步距的大小，從而把原步距角細(xì)分成若干步來(lái)完成。即原來(lái)對(duì)應(yīng)于一個(gè)電壓脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一步為-B\經(jīng)10細(xì)分后則每走一步為口-8。一般情況下，電機(jī)的定子若為m相繞組，如每次僅一相通電，那么一個(gè)循環(huán)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角E，因此，步進(jìn)電機(jī)的步距角二,，為：ar 盤■:=m=360iilZ （1）其中：m為定子的繞組數(shù)，Z為轉(zhuǎn)子齒牙數(shù)。對(duì)同一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)通過(guò)改變通電方式可以減小步距角m，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分，這有利于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的精確控制。但這種方法作用有限，不能滿足更高的精度要求。根據(jù)式（1）進(jìn)一步減小步距n的途徑是增加定子相數(shù)和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，相應(yīng)的電機(jī)成本和難度都會(huì)增加。為了達(dá)到較大的細(xì)分，就要在控制電路上采取措施。典型的方法是控制步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流，使其按階梯上升、下降。這樣，電機(jī)繞組中的電流不是由0躍升到額定值，而是經(jīng)過(guò)若干小步的變化達(dá)到額定值，所以繞組中的電流變化比較均勻。要實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)，就是要使電機(jī)各相繞組中的電流按一定的規(guī)律階梯上升或下降，針對(duì)這種電流波形的實(shí)現(xiàn)方法，國(guó)內(nèi)外都有研究，從脈沖分配電路上看，有采用硬件細(xì)分及軟件細(xì)分的區(qū)別，硬件細(xì)分可由EPROM或GAL來(lái)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成所謂的E+P或G+P細(xì)分驅(qū)動(dòng)：從功率放大器上看，即從功率管的工作狀態(tài)來(lái)分，有放大型的也要采用開關(guān)式的；軟件細(xì)分也有多種；從階梯電流形成的角度分，有采用疊加法的，有采用PWM控制的，也有采用脈頻調(diào)制（刪）的，隨著微胡技術(shù)的發(fā)展。目前大多采用與微機(jī)相結(jié)合的方法，而疊加法目前則較少采用，下面僅從繞組中階梯型電流形成的角度來(lái)分析，以往的步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)較多采用這種方法。其基本思路是把等幅等寬的方波合成麗得到階梯波。在電流的實(shí)現(xiàn)E，一般采用數(shù)字邏輯元件來(lái)構(gòu)成細(xì)分脈沖分配電路，驅(qū)動(dòng)回路每相設(shè)有N個(gè)支路（即設(shè)為N細(xì)分），階梯波電流的形成由這N個(gè)支路的等幅等寬的方波電流疊加得到，各支路的開閉則由細(xì)分控制器的脈沖來(lái)控制囹。由于細(xì)分驅(qū)動(dòng)是要得到階梯變化的電流波形，所以利用PWM技術(shù)（脈寬調(diào)制）來(lái)代替放大狀態(tài)的功放電路，可以實(shí)現(xiàn)靈活的電流波形控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。目前隨著微機(jī)的發(fā)展，借助于微處理機(jī)較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理功能，結(jié)合PWM控制技術(shù)，已是步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的主要發(fā)展方向之一。脈寬調(diào)制細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本思路是：細(xì)分驅(qū)動(dòng)電流的變化受控于PWM脈沖的脈寬變化，只要給驅(qū)動(dòng)功率管的基極上施加一定脈寬和頻率的脈沖序列，就可在相應(yīng)電機(jī)繞組上得到相應(yīng)的階梯變化的電流波形。在實(shí)際系統(tǒng)中，有許多專用集成模塊可用于這種它激式電流追蹤型PWM控制，如TIA94,SG3525等。由這些模塊構(gòu)成的電流控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用。在實(shí)際的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中可根據(jù)需要選擇合適的電流跟蹤型PWM控制方式。本課題使用89C51單片機(jī)進(jìn)行PWM脈寬控制，由PWM產(chǎn)生及邏輯合成電路完成對(duì)步進(jìn)脈沖的細(xì)分并且發(fā)向出驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)從而完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軟件主要由主控程序、細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序、鍵處理程序、顯示數(shù)據(jù)處理及顯示驅(qū)動(dòng)程序、通信監(jiān)控程序等部分組成。其結(jié)構(gòu)框圖見圖［5］：細(xì)分驅(qū)動(dòng)主控制程序控制整個(gè)程序的流程，主要完成程序的初始化、中斷方式的設(shè)置、計(jì)數(shù)器工作方式的設(shè)置及相關(guān)子程序的調(diào)用等。細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)提高了步進(jìn)電機(jī)各方面的綜合性能。實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)質(zhì)上就相當(dāng)于增大了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行拍數(shù)，下面就其與其它的驅(qū)動(dòng)方式相比具有的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下[6]提高步進(jìn)電機(jī)的步距分辨率和步進(jìn)精度。減弱低頻振蕩和噪聲。提高步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)的矩頻特性和運(yùn)行的穩(wěn)定性。4研究工作詳細(xì)進(jìn)度和安排2010年12月一2011年1月上旬畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述、外文翻譯；2011年1月中旬一2011年2月中旬畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告；2011年2月下旬一2011年5月上旬畢業(yè)設(shè)計(jì)，撰寫畢業(yè)論文初稿；2011年5月中旬一2011年5月下旬修改初稿、準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。5參考文獻(xiàn)謝輝唐勇，步進(jìn)電機(jī)發(fā)展回顧與前景展望重慶三峽學(xué)院學(xué)報(bào)[J]2010,26(3)科雷德斯(香港)精密技研,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)[EB/OL]./learn/lear—detail/asp?learn—idffi7401,2008-10-16李翠敏高有行，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)