1、南京信息南京信息職業(yè)職業(yè)技技術(shù)術(shù)學(xué)院學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論畢業(yè)設(shè)計(jì)論文文 作者 鄧天培 學(xué)號(hào) 20812P13 系部 機(jī)電學(xué)院 專業(yè) 機(jī)電一體化技術(shù) 題目 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)及應(yīng)用 指導(dǎo)教師 段向軍 李雪俊 評(píng)閱教師 完成時(shí)間： 2011 年 4 月 30 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論論文文)中文摘要中文摘要 (題目)：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)及應(yīng)用 摘要：摘要：步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械角位移或者線位移的控制電機(jī), 它能夠在不涉及復(fù)雜反饋環(huán)路的情況下實(shí)現(xiàn)良好的定位精度，并由于具有價(jià)格低 廉、易于控制、無(wú)積累誤差等優(yōu)點(diǎn),在民用、工業(yè)用的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控定位系統(tǒng)中獲得 了廣泛的應(yīng)用,具有較高的實(shí)用價(jià)值。為

2、了強(qiáng)調(diào)本論文的實(shí)用性及可行性，本文綜 述了步進(jìn)電機(jī)的各種特性；說(shuō)明了步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造、工作原理及驅(qū)動(dòng)；回顧了步 進(jìn)電機(jī)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展及應(yīng)用的概況；分析了步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速方法，給出控制系統(tǒng) 的具體實(shí)現(xiàn)方案。 關(guān)關(guān)鍵詞鍵詞：步進(jìn)電機(jī)、控制系統(tǒng)、調(diào)速方法 畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論論文文)外文摘要外文摘要 Title : Stepping motor driver control technology and application Abstract: Stepping motor is a pulse signal into mechanical angular displacement control mo

3、tor or line . It can not involving complex feedback loop in realize good positioning accuracy . And because of its low prices and easy control, no error accumulation, etc . In civil and industrial use in the economical nc positioning system has been widely used has high practical value . To emphasiz

4、e the practicability and feasibility, this essay . This chapter reviews the stepper motor various characteristics . Explains the step motor structure, working principle and drive . Reviewed the stepping motor in the domestic and foreign development and application of the situation . Analyzed the ste

5、pping motor speed control methods of the control system, gives a concrete realization scheme. keywords: Stepping motor Control system control method 目錄目錄 第一章第一章 引言引言.5 5 1.1 步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) .5 1.2 步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn) .6 第二章第二章 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)的工作原理.7 7 2.1 磁阻式步進(jìn)電機(jī) .7 2.2 永磁式步進(jìn)電機(jī) .8 2.3 混合式步進(jìn)電機(jī) .9 2.4 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題 .10 第三章第三章 PLC

6、PLC 的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) .1111 3.1 PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī).11 3.2 采用西門子 S7-300PLC 控制三相步進(jìn)電機(jī)的過(guò)程 .11 3.3 PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)的編程方法.13 第四章第四章 步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速方法步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速方法.1515 4.1 步進(jìn)脈沖的調(diào)頻方法 .15 4.2 升降頻方法及其實(shí)現(xiàn) .17 4.2.1 升降頻方法 .17 4.2.2 軟件實(shí)現(xiàn) .19 結(jié)論結(jié)論.2323 致謝致謝.2424 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).2525 第一章第一章 引言引言 在我國(guó),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究始于 1958 年，當(dāng)時(shí)只有清華大學(xué),華中理工大學(xué) 等少數(shù)高等院校在

7、從事這項(xiàng)工作。60 年代受蘇聯(lián)的影響，主要以三相磁阻式步 進(jìn)電機(jī)為主。70 年代我國(guó)研制快走絲數(shù)控線切割機(jī)、數(shù)控機(jī)床等數(shù)控設(shè)備的需 求對(duì)步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展起了很大的促進(jìn)作用。當(dāng)時(shí)受到蘇聯(lián)、日本等工業(yè)較發(fā)達(dá) 國(guó)家的影響，國(guó)內(nèi)開始自行研制磁阻式步進(jìn)電機(jī)的系列產(chǎn)品。 1.11.1 步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 基于電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為自動(dòng)化領(lǐng)域的關(guān)鍵部分，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)當(dāng)中起 著重要的作用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是集成電路、電力電子器件、 自動(dòng)化控制理論等方面的進(jìn)展，電機(jī)在其實(shí)際應(yīng)用中已由過(guò)去簡(jiǎn)單地控制轉(zhuǎn)動(dòng) 停止、以提供動(dòng)力為目的應(yīng)用上升到對(duì)速度、加速度、位移和轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行精確 控制階段，以便使被驅(qū)動(dòng)

8、的機(jī)械運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確符合預(yù)想的要求。 步進(jìn)電機(jī)正好能夠很好地符合這種需求，它是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為 機(jī)械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換控制電機(jī)。通常所說(shuō)的步進(jìn)電機(jī)一般是指機(jī) 電一體化設(shè)備包括步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接受到一個(gè)脈沖之 后就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度即步距角。步進(jìn)電機(jī)不像其它電機(jī)那樣 連續(xù)旋轉(zhuǎn)而是以一定的步距角一步一步做增量運(yùn)動(dòng)因此而得名。所以通過(guò)控制 脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移，達(dá)到精確定位的目的；同時(shí)也可以通 過(guò)控制脈沖的頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度，達(dá)到調(diào)速的目的。除此 之外步進(jìn)電機(jī)還具有以下一些優(yōu)點(diǎn)16： （1）無(wú)刷：步進(jìn)電機(jī)是無(wú)刷結(jié)構(gòu)電機(jī)，與帶有換

9、向器和電刷等易損部件的 傳統(tǒng)有刷電機(jī)相比而言可靠性更高； （2）與負(fù)載無(wú)關(guān)：不超載時(shí)步進(jìn)電機(jī)能夠按照設(shè)定的速度運(yùn)行； （3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快：易于啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)； （4）保持轉(zhuǎn)矩： 停止時(shí)能夠自鎖； （5）無(wú)累積誤差：雖然步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步的角位移與標(biāo)稱的步距角具有 一定的誤差（35%） ，但是轉(zhuǎn)動(dòng)一周后累積的誤差和為零。 （6）步距角與環(huán)境無(wú)關(guān)：步進(jìn)電機(jī)的固有步距角是由本身構(gòu)造決定的，與 溫度、電壓、電流等使用環(huán)境無(wú)關(guān)。 （7）易于控制：只需控制脈沖的頻率和個(gè)數(shù)，即可達(dá)到定位、調(diào)速目的。 （8）價(jià)格低廉：步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于同樣用于定位領(lǐng)域交、直流伺服電機(jī)而言 具有較高的性價(jià)比。 1.21.2 步進(jìn)電

10、機(jī)的缺點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn) 正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，使得由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成的開環(huán)數(shù)控定位 系統(tǒng)，既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定可靠地工作。與同 樣應(yīng)用于定位領(lǐng)域的交、直流伺服電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)伺服系統(tǒng)相比較而言，主要優(yōu) 勢(shì)在于性價(jià)比高和驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單，但是性能上卻具有以下明顯的不足之處16： （1）低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲都比較大； （2）輸出力矩隨著轉(zhuǎn)動(dòng)速度的升高而降低； （3）啟動(dòng)頻率不能太高，否則會(huì)堵轉(zhuǎn)并伴隨有呼嘯聲； （4）速度突變較大時(shí)存在丟步和過(guò)沖現(xiàn)象； （5）最高運(yùn)動(dòng)速度較低，且高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸出力矩小。 （6）開環(huán)控制，不能保證實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與設(shè)想的完全一致。 雖然步進(jìn)電機(jī)有這

11、些缺點(diǎn)，但是并不影響其在經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控裝置上的使用。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)主要有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步 進(jìn)電機(jī)。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 7.5 度 或 15 度，振動(dòng)和噪音小；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步 進(jìn)角一般為 1.5 度，但噪聲和振動(dòng)都很大；混合式步進(jìn)電機(jī)混合了永磁式和反 應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，步距角小、轉(zhuǎn)矩大且振動(dòng)、噪音小，它主要又分為兩相和五相： 兩相步距角一般為 1.8 度而五相步進(jìn)角一般為 0.72 度。 第二章第二章 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)的工作原理 目前步進(jìn)電機(jī)的種類繁多，性能特點(diǎn)也各有差異，但按照基本構(gòu)造和工作

12、 原理可分為三種類型：磁阻式(亦稱反應(yīng)式)，即VR型（Variable Reluctance） ； 永磁式（亦稱爪極式） ，即PM(Permanent Magnet)；混合式，即HB(Hybrid)。以 下將就這三種類型步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造以及基本驅(qū)動(dòng)原理做簡(jiǎn)要的描述。 2.12.1 磁阻式步進(jìn)電機(jī)磁阻式步進(jìn)電機(jī) 磁阻式步進(jìn)電機(jī)通常也可稱為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其定轉(zhuǎn)子均采用齒狀結(jié)構(gòu)， 定子每個(gè)極上都繞有線圈，轉(zhuǎn)子則是由軟鐵材料制成的。其基本原理是繞組通 電勵(lì)磁之后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩迫使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到磁通路徑磁阻最小的位置。為了更 好的說(shuō)明磁阻式步進(jìn)電機(jī)的工作原理，圖2展示了簡(jiǎn)化的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)， 其定子上有

13、八個(gè)極，轉(zhuǎn)子只有四個(gè)小齒，步距角為30。當(dāng)繞組1通電時(shí)，為了 保持其磁通路徑磁阻最小，將產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩迫使X與之對(duì)齊；接著若繞組1斷電、 繞組2通電，則轉(zhuǎn)子將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)使得Y與繞組2對(duì)齊保持磁通路徑磁阻最小。實(shí) 際上的步進(jìn)電機(jī)可通過(guò)增加定子極數(shù)或者轉(zhuǎn)子的齒數(shù)來(lái)減少步距角，例如圖1所 示的是四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的橫截面示意圖，其定子上有八個(gè)極，每個(gè)極上分 布有5個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子有50個(gè)小齒，步距角為1.8。 圖1 四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)橫截面示意圖 圖2 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)示意圖5 2.22.2 永磁式步進(jìn)電機(jī)永磁式步進(jìn)電機(jī) 圖3 永磁式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖7 如圖3所示，永磁式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子為N極、S極相間的

14、永磁體，由于定子極沖 制成爪型因而又名爪極式步進(jìn)電機(jī)。其基本工作原理是轉(zhuǎn)子上的永磁體建立的 磁場(chǎng)和定子繞組電流激勵(lì)的磁場(chǎng)相互作用，形成的同性相斥、異性相吸的電磁 轉(zhuǎn)矩，當(dāng)繞組勵(lì)磁產(chǎn)生的合磁場(chǎng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子也會(huì)跟著同步轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。如 圖4所示 圖4 兩相永磁式步進(jìn)電機(jī)實(shí)物解剖圖 永磁式步進(jìn)電機(jī)的定子是由繞滿漆包線的注塑骨架套在爪極板上構(gòu)成的， 當(dāng)繞組通電勵(lì)磁后定子上爪極就會(huì)被磁化為N極或者S極，從而與轉(zhuǎn)子的N極和S 極相互作用形成電磁轉(zhuǎn)矩。永磁式步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，具有 控制功率小、振動(dòng)和噪音小的優(yōu)點(diǎn)，但是由于其定子極數(shù)和轉(zhuǎn)子極數(shù)相同，且 轉(zhuǎn)子永磁體要制成NS密集相間的多對(duì)磁極比較

15、困難，因而其步距角一般比較大。 2.32.3 混合式步進(jìn)電機(jī)混合式步進(jìn)電機(jī) 混合式步進(jìn)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子鐵芯均為齒狀結(jié)構(gòu)同反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)非 常相似，但是其轉(zhuǎn)子帶有永久磁鋼具備永磁體的特性，所以混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 可看作VR和PM兩種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的組合。圖6所示的混合式步進(jìn)電機(jī)的詳細(xì)的結(jié)構(gòu) 示意題圖，圖5則是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物解剖圖。從這兩個(gè)圖中可以看出 混合式步進(jìn)電機(jī)的定子是多個(gè)帶有小齒且繞有線圈的極子構(gòu)成的，這個(gè)可以說(shuō) 和反 應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是相同的，而轉(zhuǎn)子則是由左右兩邊帶有小齒的鐵芯以及中間 的永久磁鋼構(gòu)成，左右兩個(gè)鐵芯一邊呈現(xiàn)S極另一呈現(xiàn)N極且相互錯(cuò)開1/2個(gè)小齒 齒距以 圖5 兩相混合

16、式步進(jìn)電機(jī)實(shí)物解剖圖9 圖6 混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖8 便形成跟永磁式步進(jìn)電機(jī)類似的 N、S 相間磁極?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)的基本工作原 理和永磁式步進(jìn)電機(jī)一樣，是靠繞組通電之后激勵(lì)的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子固有的磁場(chǎng)進(jìn) 行同性相斥、異性相吸的相互作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩促使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)定子繞組 激勵(lì)的合磁場(chǎng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)定子也同步旋轉(zhuǎn)。目前步進(jìn)電機(jī)主要以定子 8 極、轉(zhuǎn) 子 50 齒的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)和定子 10 極轉(zhuǎn)子 50 齒的五相混合步進(jìn)電機(jī)為主， 圖 7 和圖 8 為各自的橫截面示意圖。 圖 7 五相混合式步進(jìn)電機(jī)橫截面示意圖8 圖 8 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)橫截面示意圖10 2.42.4 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)

17、題 步進(jìn)電機(jī)由于的驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單、無(wú)累積誤差等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型 的高分辨率數(shù)控定位系統(tǒng)當(dāng)中。但是它存在著兩個(gè)明顯的固有缺點(diǎn)，一個(gè)是低 速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪音相對(duì)較大，另一個(gè)是當(dāng)頻率突變過(guò)大時(shí)容易堵轉(zhuǎn)、丟步或 者過(guò)沖，這兩個(gè)缺點(diǎn)對(duì)定位系統(tǒng)的精度會(huì)產(chǎn)生較大的影響。步進(jìn)電機(jī)作為一種 機(jī)電一體化設(shè)備，電機(jī)本身固有的問(wèn)題可通過(guò)驅(qū)動(dòng)器或者控制器來(lái)彌補(bǔ)。采用 細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以大大減少低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)和噪音，還可以起到減小步距角、 提高分辨率、增大輸出力矩的效果；采用升降頻控制技術(shù),則可以克服步進(jìn)電機(jī) 高速起停時(shí)存在的堵轉(zhuǎn)、丟步或者過(guò)沖等問(wèn)題，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)得更加平穩(wěn)、 定位更加精確。 第三章第三章 基于基

18、于 PLCPLC 的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種 家電產(chǎn)品中，例如打印機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、玩具、雨刷、震動(dòng)尋呼機(jī)、機(jī)械手臂 和錄像機(jī)等。另外步進(jìn)電機(jī)也廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中。由于通過(guò)控 制脈沖個(gè)數(shù)可以很方便的控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角位移，且步進(jìn)電機(jī)的誤差不積 累，可以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。還可以通過(guò)控制頻率很方便的改變步進(jìn)電機(jī)的 轉(zhuǎn)速和加速度，達(dá)到任意調(diào)速的目的，因此步進(jìn)電機(jī)可以廣泛的應(yīng)用于各種開 環(huán)控制系統(tǒng)中 。 3.13.1 PLCPLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)直接控制步進(jìn)電機(jī) 使用 PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，可使用 PL

19、C 產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)所需要的各 種時(shí)序的脈沖。例如三相步進(jìn)電機(jī)可采用三種工作方式： 三相單三拍： 三相雙三拍： 三相單六拍： 可根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作方式，以及所要求的頻率（步進(jìn)電機(jī)的速度） ，畫出 A、B、C 各相的時(shí)序圖。并使用 PLC 產(chǎn)生各種時(shí)序的脈沖例如：采用西門子 S7- 300PLC 控制三相步進(jìn)電機(jī)的過(guò)程。 要求通過(guò) PLC 可實(shí)現(xiàn)三相步進(jìn)電機(jī)的起停 控制、正反轉(zhuǎn)控制，以及三種工作方式的切換（每相通電時(shí)間為 1 秒鐘） 。 3.23.2 采用西門子采用西門子 S7-300PLCS7-300PLC 控制三相步進(jìn)電機(jī)的過(guò)程控制三相步進(jìn)電機(jī)的過(guò)程 變量約定如下 ： 輸入：?jiǎn)?dòng)按鈕 SB1

20、：I0.0 方向選擇開關(guān) SA1：I0.1 停止按鈕 SB2：I0.2 三相單三拍方式選擇 SA2：I0.3 三相雙三拍方式選擇 SA3：I0.4 三相單六拍方式選擇 SA4：I0.5 輸出： A 相加電壓：Q0.0 B 相加電壓：Q0.1 C 相加電壓：Q0.2 啟動(dòng)指示燈：Q0.3 三相單三拍運(yùn)行方式：Q0.4 三相雙三拍運(yùn)行方式：Q0.5 三相單六拍運(yùn)行方式：Q0.6 輸出脈沖顯示燈： Q0.7 三相單三拍正向的時(shí)序圖如下圖所示 ： 三相雙三拍正向的時(shí)序圖如下圖所示 ： 三相單六拍正向時(shí)序圖如下圖所示 ： 3.33.3 PLCPLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)的編程方法直接控制步進(jìn)電機(jī)的編程方法

21、1使用定時(shí)器指令實(shí)現(xiàn)各種時(shí)序脈沖的要求：使用定器產(chǎn)生不同工作方式 下的工作脈沖，然后按照控制開關(guān)狀態(tài)輸出到各相對(duì)應(yīng)的輸出點(diǎn)控制步進(jìn)電機(jī)。 例如：使用圖所示的程序可以產(chǎn)生所需要的脈沖： M0.0 作為總控制狀態(tài)位，控制脈沖發(fā)生指令是否啟動(dòng)。一旦啟動(dòng)，采用 T0、T1、T2 以及它們的組合可以得到三相單三拍和三相雙三拍的兩種工作方式 下，各相的脈沖信號(hào)。如 T0 的狀態(tài)為三相單三拍工作狀態(tài)下 A 相的脈沖。同理 可使用類似程序得到三相單六拍時(shí)各相所需的脈沖信號(hào)。 2使用移位指令實(shí)現(xiàn)各相所需的脈沖信號(hào)。例如在 MW10 中進(jìn)行移位，每 次移位的時(shí)間為 1 秒鐘。如圖為三相單六拍正向時(shí)序流程圖，三相單

22、三拍可利 用相同的流程圖，從 M11.1 開始移位，每次移兩位，而三相雙三拍從 M11.2 開 始，每次移兩位。 在程序段 1 中，先產(chǎn)生周期為 1 秒鐘的脈沖信號(hào)，如圖所示： 第四章第四章 步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速方法步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速方法 本章節(jié)提出了步進(jìn)電機(jī)的幾種速度調(diào)節(jié)方法。脈沖頻率的調(diào)節(jié)采用軟件延 時(shí)或硬件定時(shí)。升降頻采用直線升降法、指數(shù)曲線升降法或拋物線升降法。給 出了脈沖頻率調(diào)節(jié)的實(shí)用程序，通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線的分析，得出了 步進(jìn)電機(jī)的升頻表格，并提供了一個(gè)完整的軟件升降頻流程圖。幾種調(diào)速方法 應(yīng)用在多種數(shù)控機(jī)床上，提高了步進(jìn)電機(jī)的定位精度，改善了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn) 性，加速了電機(jī)的升降過(guò)程

23、。 4.14.1 步進(jìn)脈沖的調(diào)頻方法步進(jìn)脈沖的調(diào)頻方法 (1)軟件延時(shí)：通過(guò)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的延時(shí)子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。假定控制器基 AT89S52 單片機(jī) ，晶振頻率為 12 MHz，那么可以編制一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的延時(shí)。 子程序如下： 該子程序的入口為(0E)(0D)兩個(gè)字節(jié)，若需要 20000 us 的延時(shí)，則給(0E) (0D)兩個(gè)字節(jié)賦值 4E20H，即執(zhí)行下面程序： MOV 0EH，#4EH ；20 000 的十六進(jìn)制碼為 4E20。 MOV 0DH#20H CALL DELAY ；調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)子程序 DELAY。 若要控制步進(jìn)電機(jī)走 100 步，每?jī)刹街g延時(shí) 20 000 s，則匯編程序?yàn)椋?MOV 0

24、FH，#100D ；準(zhǔn)備走 100 步。 CONTI： CALL I_STEP ；電機(jī)走一步(調(diào)用電機(jī)的脈沖分配子程序) MOV 0EH，#4EH ；20 000 的十六進(jìn)制碼為 4E20。 MOV 0DH，#20H CALL DELAY ；相鄰步之間的延時(shí)(決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速)。 DJNZ 0FH，CONTI ；循環(huán)次數(shù)減 1 后，若不為 0 則繼續(xù)，循環(huán) 100 次。 可以看出，采用軟件延時(shí)方法實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是程序簡(jiǎn)單，思路清晰， 不占用硬件資源。缺點(diǎn)是浪費(fèi) CPU 的寶貴時(shí)間，在控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，CPU 不能做其它事。 硬件定時(shí)：假定控制器仍為 AT89S52 單片機(jī)，晶振頻率為 1

25、2 MHz，將 AT89S52 的 TD 作為定時(shí)器使用，設(shè)定 T0 工作在模式 1(16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器)。 今要求它能定時(shí)地發(fā)出步進(jìn)脈沖，其定時(shí)中斷產(chǎn)生的脈沖序列的周期(即步進(jìn)電 機(jī)的脈沖間隔)假定為 20 000 s，則可算出 TD 所對(duì)應(yīng)的定時(shí)常數(shù)為 B1E0H，CPU 相應(yīng)的程序如下： 主程序： MOV TMOD，#01H ；設(shè) T0 取工作模式 1。 MOV TH0#0B1H ；裝入定時(shí)常數(shù)高 8 位。 MOV TLO，#0E0H ；裝入定時(shí)常數(shù)低 8 位。 SETB TR0 ；啟動(dòng) T0 定時(shí)。 SETB ET0 ；允許 T0 中斷。 SETB EA ；允許 CPU 中斷。 $ ；

26、CPU 等待 T0 的定時(shí)到。 中斷服務(wù)程序： CLR ET0 ;關(guān) T0 中斷。 CALL I_STEP ；控制電機(jī)走一步(調(diào)用電機(jī)的脈沖分配子程序)。 RETI ；T0 中斷返回。 本例中，只要改變 T0 的定時(shí)常數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。這種方法 既需要硬件(T0 定時(shí)器)又需要軟件來(lái)確定脈沖序列的頻率，所以是 一種軟硬件相結(jié)合的方法。它的缺點(diǎn)是占用了一個(gè)定時(shí)器。在比較復(fù)雜的 控制系統(tǒng)中常采用定時(shí)中斷的方法，這樣可以提高 CPU 的利用率。 4.24.2 升降頻方法及其實(shí)現(xiàn)升降頻方法及其實(shí)現(xiàn) 4.2.1 升降頻方法 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率低于它本身的起動(dòng)頻率時(shí)，步進(jìn)電機(jī)可以用運(yùn)行頻 率直

27、接起動(dòng)，并以該頻率連續(xù)運(yùn)行，需要停止的時(shí)候，可以從運(yùn)行頻率直接降 到零速。此時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于恒速狀態(tài)，無(wú)需升降頻控制。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻 率 fbfa (fa 為步進(jìn)電機(jī)有載起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)頻率)時(shí)，若直接用 fb 起動(dòng)，由于 頻率太高，步進(jìn)電機(jī)會(huì)丟步，甚至產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。同樣，在 fb 頻率下突然停止，步 進(jìn)電機(jī)會(huì)超程。因此，當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行頻率fb 下正常工作時(shí)，就需要 采用升降頻控制，以使步進(jìn)電機(jī)從啟動(dòng)頻率 fa 開始，逐漸加速升到運(yùn)行頻率 fb，然后進(jìn)入勻速運(yùn)行，最后的降頻可以看作是升頻的逆過(guò)程。 步進(jìn)電機(jī)常用的升降頻控制方法有 3 種： (1)直線升降頻。如圖 1 所示。這種方法是以恒定的加

28、速度進(jìn)行升降，平穩(wěn) 性好，適用于速度變化較大的快速定位方式。加速時(shí)間雖然長(zhǎng)，但 軟件實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單。 fb f/Hz fa t t/s 圖 1 直線升降頻 指數(shù)曲線升降頻。如圖 2 所示，這種方法是從步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性出發(fā)， 根據(jù)轉(zhuǎn)矩隨頻率的變化規(guī)律推導(dǎo)出來(lái)的。它符合步進(jìn)電機(jī)加減速過(guò)程的運(yùn)動(dòng)規(guī) 律，能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)性能較好，升降時(shí)間短。指數(shù) 升降控制具有較強(qiáng)的跟蹤能力，但當(dāng)速度變化較大時(shí)平衡性較差，一般適用于 跟蹤響應(yīng)要求較高的切削加工中。 f/Hz fb fa t/s 圖 2 指數(shù)曲線升降頻 (1) 拋物線升降頻。如圖 3 所示，拋物線升降頻將直線升降頻和指數(shù)曲 線升降頻

29、融為一體，充分利用步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)的有效轉(zhuǎn)矩，使升降速的時(shí)間 大大縮短，同時(shí)又具有較強(qiáng)的跟蹤能力，這是一種比較好的方法。 f/hz fb fa t/s 圖 3 拋物線升降頻 4.2.2 軟件實(shí)現(xiàn) 步進(jìn)電機(jī)在升降頻過(guò)程中，脈沖序列的產(chǎn)生，即兩個(gè)脈沖時(shí)間間隔的軟件 確定，有 2 種方法： (1)遞增遞減一定值。如線性升降頻，兩脈沖頻率的差值 f= |fi-fi-1| 是相等的，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間增量 f 也是相等。時(shí)間的計(jì)算若采用軟件延時(shí)的方 法，可先設(shè)置一個(gè)基本的延時(shí)單元 Te，不同頻率的脈沖序列可由 Te 的不同倍 數(shù)產(chǎn)生。設(shè)起動(dòng)時(shí)所用頻率對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)為 tNe 以后逐次遞減 t(設(shè) t=tM)，

30、直到等于運(yùn)行頻率所對(duì)應(yīng)的時(shí)間(tRe)為止。這種方法編程簡(jiǎn)單，節(jié)省內(nèi)存。時(shí) 間計(jì)算也可采用定時(shí)中斷的方法，可將定時(shí)常數(shù)逐次遞增遞減一定值，實(shí)現(xiàn) 升降頻控制。因其定時(shí)不是連續(xù)的，所以升降速曲線不是一條直線，而是折線， 但可近似看成直線。 (2)查表法。為了對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)最佳升降頻控制，縮短電機(jī)的升降頻時(shí)間， 可從步進(jìn)電機(jī)矩頻特性出發(fā)進(jìn)行分析。由步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性(見圖 4，130BC3100A 電機(jī))可知，轉(zhuǎn)矩 M 是頻率 f 的函數(shù)(即角加速度 d/dt=M(f) J，J 為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)，它隨著 f 的上升而下降，所以它呈軟的特性。當(dāng) 頻率較低時(shí)，轉(zhuǎn)矩 M 較大，對(duì)應(yīng)的角加速度 d/dt

31、也較大，所以升頻的脈沖頻 率增加率 dfdt 應(yīng)取得大一些；當(dāng)頻率較高時(shí)， 較小，d/dt 也較小，此時(shí)， 升頻的脈沖頻率增加率 dfdt 應(yīng)取小一些，否則，會(huì)由于無(wú)足夠的轉(zhuǎn)矩而失步。 因此，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性，可以看出：在步進(jìn)電機(jī)的升頻過(guò)程中，應(yīng)遵 循“先快后慢”的原則。按此要求，從開始升頻到升至 fb 之間，按最佳升頻要 求的頻率取出 f1，f2，f3，fn 并將它們所對(duì)應(yīng)的脈沖間隔時(shí)間 t1，t2 ， ，tn，依次存于內(nèi)存的一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)，如表 1 所示(稱階梯頻率表)。 30 20 10 0 M/N m 4 8 12 16 f/Hz 圖 4 步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線 表 1 階梯頻率表

32、序號(hào)頻率（時(shí)間）備注 K1Fa(ta) 最低頻率 K1+1F1(t2) K1+2F2(t2) 升 降 頻 頻 K1+nFn(tn) 最高頻率 考慮到步進(jìn)電機(jī)的慣性作用。在升速過(guò)程中，如果速率變化太大，電機(jī)響 應(yīng)將跟不上頻率的變化，出現(xiàn)失步現(xiàn)象。因此，每改變一次頻率，要求電機(jī)持 續(xù)運(yùn)行一定步數(shù)(稱階梯步長(zhǎng))，使步進(jìn)電機(jī)慢慢適應(yīng)變化的頻率，從而進(jìn)入穩(wěn) 定的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)最佳升降頻控制規(guī)律，可推出步進(jìn)電機(jī)的“頻率-步長(zhǎng)”關(guān) 系曲線如圖 5 所示。 f/Hz fb fi fa Lj L/步數(shù) 圖 5 頻率-步長(zhǎng)曲線 這樣，升頻時(shí)除需將階梯頻率表存于內(nèi)存的一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)外，還需建立 另一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)，用來(lái)存放

33、階梯步長(zhǎng)(如表 2 所示)。在升頻過(guò)程中，可用查表的 方法，分別得到 fi=(ti)和所對(duì)應(yīng)的Li，實(shí)現(xiàn)升降頻控制。軟件上的具體做 法是：將 fi(ti)和Li 在 EPROM 中交替存放(如表 3 所示)，程 序執(zhí)行時(shí)按順序取數(shù)，每次取出一個(gè)頻率和該頻率對(duì)應(yīng)的步長(zhǎng)。 表 2 階梯步長(zhǎng)表 序號(hào)步長(zhǎng)（脈沖） K2La K2+1L1 K2+2L2 K2+nLn 表 3 頻率-步長(zhǎng)表 Kfn(ta) K+1La K+2f1(t1) K+3L1 K+4f2(t2) K+5L2 結(jié)論結(jié)論 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的數(shù)字電機(jī)，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及 自動(dòng)化設(shè)備中應(yīng)用廣泛?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)需要 3 個(gè)要素：方向、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn) 速。對(duì)