步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進(jìn)電機(jī)分時供電的，多相時序控制器。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識。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)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。

　　步進(jìn)電機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)

　　1、單片機(jī)的選擇

　　本次設(shè)計(jì)以CPU選用89C5l作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片．89C51的結(jié)構(gòu)簡單并可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上．使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且完全兼容MCS5l系列單片機(jī)的所有功能。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案

　　1.1單片機(jī)的引腳功能：

　?。?）VCC（40）：電源+5V。

　?。?）VSS（20）：接地，也就是GND。

　?。?）XTL1（19）和XTL2（18）：振蕩電路。

　　單片機(jī)是一種時序電路，必須有脈沖信號才能工作，在它的內(nèi)部有一個時鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個電容和一個晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時，需在XTL2上加外部時鐘信號（詳細(xì)的內(nèi)容將在以后的課程中專門介紹）。

　?。?）PSEN（29）：片外ROM選通信號，低電平有效。

　　（5）ALE/PROG（30）：地址鎖存信號輸出端/EPROM編程脈沖輸入端。

　?。?）RST/VPD（9）：復(fù)位信號輸入端/備用電源輸入端。

　?。?）EA/VPP（31）：內(nèi)/外部ROM選擇 端

　?。?）P0口（39-32）：雙向I/O口。9．P1口（1-8）：準(zhǔn)雙向通用I/0口。

　　（9）P2口（21-28）：準(zhǔn)雙向I/0口。原理圖如1所示：

　　1.2 主要特性：

　　與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個16位定時器/計(jì)數(shù)器、5個中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路

　?。?） 振蕩器特性：

　　XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。

　?。?） 芯片擦除：

　　整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。

　　此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM定時器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。

　　2、步進(jìn)電機(jī)的選擇

　　因本次設(shè)計(jì)的要求，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)選用三相三拍的步進(jìn)電機(jī)，關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的具體說明如下；

　　反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)是利用凸極轉(zhuǎn)子交軸磁阻與直軸磁阻之差所產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動的所以也稱為磁阻式步進(jìn)電動機(jī)現(xiàn)以一個最簡單的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)為例說明其工作原理。

　　圖2是一臺三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的原理圖定子鐵芯為凸極式共有三對六個磁極每兩個相對的磁極上繞有一相控制繞組轉(zhuǎn)子用軟磁性材料制成也是凸極結(jié)構(gòu)只有四個齒齒寬等于定子的極靴寬下面通過幾種基本的控制方式來說明其工作原理。

　　2.1 三相單三拍通電方式

　　當(dāng)A 相控制繞組通電，其余兩相均不通電，電機(jī)內(nèi)建立以定子A 相極為軸線的磁場。由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，使轉(zhuǎn)子齒1， 3 的軸線與定子A 相極軸線對齊，如圖4 （A）所示。若A 相控制繞組斷電，B 相控制繞組通電時，轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下，逆時針方向轉(zhuǎn)過30，°使轉(zhuǎn)子齒2，4 的軸線與定子B 相極軸線對齊，即轉(zhuǎn)子走了一步，如圖4（B）所示， 若再斷開B相，使C相控制繞組通電，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過30° 使轉(zhuǎn)子齒1，3 的軸線與定子C相極軸線對齊，如圖4（C）所示。如此按A-B–C-A 的順序輪流通電，轉(zhuǎn)子就會一步一步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率，旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序若按A-C-B-A 的順序通電，則電機(jī)按順時針反方向轉(zhuǎn)動。

　　上述通電方式稱為三相單三拍運(yùn)行，”三相”是指三相步進(jìn)電動機(jī)，”單”是指每次只有一相控制繞組通電，控制繞組每改變一次通電方式稱為一拍，三拍是指經(jīng)過三次改變通電方式為一個循環(huán)，我們稱每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為步距角。三相單三拍運(yùn)行時的步距角為30度。其原理圖如2所示：

　　2.2 三相雙三拍通電方式

　　控制繞組的通電方式為AB-BC-CA-AB 或AB-CA-BC-AB 每拍同時有兩相繞組通電三拍為一個循環(huán)，當(dāng)A B 兩相控制繞組同時通電時轉(zhuǎn)子齒的位置應(yīng)同時考慮到兩對定子極的作用，只有A 相極和B 相極對轉(zhuǎn)子齒所產(chǎn)生的磁拉力相平衡才是轉(zhuǎn)子的平衡位置如2-2 B 所示，可見雙三拍運(yùn)行時的步距角仍是30°，但雙三拍運(yùn)行時每一拍總有一相繞組持續(xù)通電，例如由A B 兩相通電變?yōu)锽 C 兩相通電時，B 相保持持續(xù)通電狀態(tài)C 相磁拉力圖使轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動，而B 相磁拉力卻起有阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動的作用。即起到一定的電磁阻尼作用所以電機(jī)工作比較平穩(wěn)，而在三相單三拍運(yùn)行時由于沒有這種阻尼作用，所以轉(zhuǎn)子達(dá)到新的平衡位置容易產(chǎn)生振蕩穩(wěn)定性不如雙三拍運(yùn)行方式。三相雙三拍運(yùn)行方式AB相與BC相導(dǎo)通的結(jié)構(gòu)如圖2-2所示：

　　在分析步進(jìn)電動機(jī)動態(tài)運(yùn)行時，不僅要知道某一相控制繞組通電時的矩角特性，而且要知道整個運(yùn)行過程中各相控制繞組通電狀態(tài)下的矩角特性，即所謂矩角特性族以三相單三拍的通電方式為例，若將失調(diào)角θ的坐標(biāo)軸統(tǒng)一取在A 相磁極的軸線上，顯然A 相通電時矩角特性如圖3中曲線A 所示穩(wěn)定平衡點(diǎn)為O，點(diǎn)B 相通電時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/3 齒距相當(dāng)于轉(zhuǎn)過2π/3 電角度，它的穩(wěn)4-3中曲線C， 這三條曲線就構(gòu)成了三相單三拍通電方式時的矩角特性族總之矩角特性族中的每一條曲線依次錯開一個用電角度表示的步矩角

　　同理可得到三相單雙六拍通電方式時的矩角特性族如圖4與5 所示：

　　步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)特性是指步進(jìn)電動機(jī)在運(yùn)行過程中的特性它直接影響系統(tǒng)工作的可靠性和系統(tǒng)的快速反應(yīng)。

　?。?）單步運(yùn)行狀態(tài)

　　單步運(yùn)行狀態(tài)是指步進(jìn)電動機(jī)在一相或多相控制繞組通電狀態(tài)下僅改變一次通電狀態(tài)時的運(yùn)行方式。

　?。?）動穩(wěn)定區(qū)

　　當(dāng)A 相控制繞組通電時矩角特性如圖中的曲線A 所示，若步進(jìn)電動機(jī)為理想空載則轉(zhuǎn)子處于穩(wěn)定平衡點(diǎn) 處，如果將A相通電改變?yōu)锽相通電，那么矩角特性應(yīng)向前移動一個步距角 變?yōu)榍€B， 點(diǎn)為新的穩(wěn)定平衡點(diǎn)由于在改變通電狀態(tài)的初瞬轉(zhuǎn)子位置來不及改變還處于θ=0的位置，對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩卻由O 突變?yōu)榍?img alt="" border="0" height="24" src="/uploads/allimg/170611/11413G530-4.gif" width="21" /> 線B上的C 點(diǎn)，電機(jī)在該轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)子向新的穩(wěn)定平衡位置，移動直至到達(dá) 點(diǎn)為止對應(yīng)它的靜穩(wěn)定區(qū)為止，（-π+ ）《θ 《（π+ ）， 即改變通電狀態(tài)的瞬間只要轉(zhuǎn)子在這個區(qū)域內(nèi)就能趨向新的穩(wěn)定平衡位置，因此把后一個通電相的靜穩(wěn)定區(qū)稱為前一個通電相的動穩(wěn)定區(qū)，把初始穩(wěn)定平衡點(diǎn)OA 與動穩(wěn)定區(qū)的邊界點(diǎn)A 之間的距離稱為穩(wěn)定裕度，拍數(shù)越多步距角越小，動穩(wěn)定區(qū)就越接近靜穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定裕度越大，運(yùn)行的穩(wěn)定性越好轉(zhuǎn)子從原來的穩(wěn)定平衡點(diǎn)到達(dá)新的穩(wěn)定平衡點(diǎn)的時間越短，能夠響應(yīng)的頻率也就越高。原理圖如5所示：

　　圖5 穩(wěn)定響應(yīng)曲線

　?。?）最大負(fù)載能力

　　步進(jìn)電動機(jī)帶恒定負(fù)載時負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 * MERGEFORMAT ， * MERGEFORMAT 若A 相控制繞組通電則轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置為圖 A中曲線A 上的 * MERGEFORMAT 點(diǎn)，這一點(diǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩正好與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，當(dāng)輸入一個控制脈沖信號通電狀態(tài)由A相改變?yōu)锽 相，矩角特性變?yōu)榍€B 在改變通電狀態(tài)的瞬間電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩 * MERGEFORMAT 大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩 * MERGEFORMAT ，電機(jī)在該轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)過一個步距角到達(dá)新的穩(wěn)定平衡點(diǎn)OB′，如圖6所示：

　　圖6 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的確定

　?。╝） （b）

　　如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大為 * MERGEFORMAT ，且 ，如圖4-14（B）則初始平衡位置為 * MERGEFORMAT 點(diǎn)，但在改變通電狀態(tài)的瞬間電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩為 ，由于 ，轉(zhuǎn)子不能到達(dá)新的穩(wěn)定平衡位置點(diǎn) ，而是向失調(diào)角θ減小的方向滑動，電機(jī)不能帶動負(fù)載作步進(jìn)運(yùn)行，這時步進(jìn)電動機(jī)實(shí)際上是處于失控狀態(tài)，由此可見只有負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于相鄰兩個矩角特性交點(diǎn)S 所對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩才能保證電機(jī)正常的步進(jìn)運(yùn)行，把 稱為最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩也稱為啟動轉(zhuǎn)矩當(dāng)然它比最大靜轉(zhuǎn)矩 可求得啟動轉(zhuǎn)矩公式2-1。

　　步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動原理及方法

　　步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動原理

　　關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動機(jī)械裝置，用簡單的構(gòu)造圖簡易說明，在圖1 是為了要說明步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動原理的構(gòu)造圖，在固定架構(gòu)上有4個電磁鐵并列這，它的下方有一個可動磁鐵對向這，而且，在磁鐵的下側(cè)上裝置了引導(dǎo)滾輪作直線狀的引導(dǎo)軸，沿這左、右移動的構(gòu)造。

　　如此，在此對步進(jìn)電動機(jī)的動作順道追加說明，現(xiàn)在，電磁鐵L1和可動磁鐵Mg之間相互作用產(chǎn)生的磁氣吸引力，因而在這里場合，（a）部的位置滑動部產(chǎn)生靜止作用，其次是電磁鐵L2激磁時，剛才的電磁鐵L1 OFF，由于如此可動磁鐵就被吸引附在電磁鐵L2的位置上，就成為在（b）的位置上，更進(jìn)一步的在電磁鐵L3受激磁時，剛才的電磁鐵L2 OFF，由于如此可動磁鐵就移動至電磁鐵L3的位置為止，就成為在（c）的位置上。

　　以下，依照這各動作而反復(fù)的操作，可動磁鐵就會向箭頭方向移動，因而，依照像這種動作順次的操作下，可以實(shí)現(xiàn)出一種致動器（在此為直線運(yùn)動），還有，在此所使用的電磁鐵L1~L4，在任何可動磁鐵（Mg）側(cè)上，都以產(chǎn)生N極的電流流通。

　　而且，在此所說的構(gòu)造圖并不是只能有4個電磁鐵而已，在必要上也可增加它的對應(yīng)數(shù)。

　　圖1的電機(jī)為直線型運(yùn)動，總之就是屬于線性步進(jìn)電機(jī)，因而，就如這樣并不能成為轉(zhuǎn)型的情況，如此，為了要成為轉(zhuǎn)型就必須下些功夫，圖2為了要使剛才線性型的構(gòu)造成為旋轉(zhuǎn)型的總結(jié)，所以它的驅(qū)動原理在本質(zhì)上和剛才的直線運(yùn)動型一樣。

　　步進(jìn)電機(jī)的5種驅(qū)動方法

　　1. 恒電壓驅(qū)動

　　單電壓驅(qū)動是指在電機(jī)繞組工作過程中，只用一個方向電壓對繞組供電，多個繞組交替提供電壓。該方式是一種比較老的驅(qū)動方式，現(xiàn)在基本不用了。

　　優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，元件少、控制也簡單，實(shí)現(xiàn)起來比較簡單

　　缺點(diǎn)：必須提供足夠大的電流的三極管來進(jìn)行開關(guān)處理，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度比較低，電機(jī)震動比較大，發(fā)熱大。由于已經(jīng)不再使用，所以不多描述。

　　2. 高低壓驅(qū)動

　　由于恒電壓驅(qū)動存在以上諸多缺點(diǎn)，技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，研發(fā)出新的高低壓驅(qū)動來改善恒電壓驅(qū)動的部分缺點(diǎn)，高低壓驅(qū)動的原理是，在電機(jī)運(yùn)動到整步的時候使用高壓控制，在運(yùn)動到半步的時候使用低壓控制，停止時也是使用低壓來控制。

　　優(yōu)點(diǎn)：高低壓控制在一點(diǎn)程度上改善了震動和噪音，第一次提出細(xì)分控制步進(jìn)電機(jī)的概念，同時也提出了停止時電流減半的工作模式。

　　缺點(diǎn)：電路相對恒電壓驅(qū)動復(fù)雜，對三極管高頻特性要求提高，電機(jī)低速仍然震動比較大，發(fā)熱仍然比較大，現(xiàn)在基本上不使用這種驅(qū)動模式。

　　3. 自激式恒電流斬波驅(qū)動

　　自激式恒電流斬波驅(qū)動的工作原理是通過硬件設(shè)計(jì)當(dāng)電流達(dá)到某個設(shè)定值的時候通過硬件將其電流關(guān)閉，然后轉(zhuǎn)為另一個繞組通電，另一個繞組通電的電流到某個固定的電流的時候，又能通過硬件將其關(guān)閉，如此反復(fù)，推進(jìn)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　優(yōu)點(diǎn)：噪音大大減小，轉(zhuǎn)速一定程度上提高了，性能比前兩種有一定的提高。

　　缺點(diǎn)：對電路設(shè)計(jì)要求比較高，對電路抗干擾要求比較高，容易引起高頻，燒壞驅(qū)動元件，對元件性能要求比較高。

　　4. 電流比較斬波驅(qū)動（目前市場上主要采用的技術(shù)）

　　電流比較斬波驅(qū)動是把步進(jìn)電機(jī)繞組電流值轉(zhuǎn)化為一定比例的電壓，與D/A轉(zhuǎn)換器輸出的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，比較結(jié)果來控制功率管的開關(guān)，從而達(dá)到控制繞組相電流的目的。

　　優(yōu)點(diǎn)：使運(yùn)動控制模擬正弦波的特點(diǎn)，大大提高性能，運(yùn)動速度和噪音都比較小，可以使用比較高的細(xì)分，是當(dāng)前流行的控制方法。

　　缺點(diǎn)：電路比較復(fù)雜，對電路中的干擾難以控制和理論要求相吻合，容易產(chǎn)生抖動，在控制形成正弦波的波峰和波谷，容易導(dǎo)致高頻干擾，進(jìn)而導(dǎo)致驅(qū)動元件發(fā)熱或者由于頻率過高而老化，這也是很多驅(qū)動器使用1年多的時候容易出現(xiàn)紅燈保護(hù)的主要原因。

　　5. 潛進(jìn)式驅(qū)動

　　這是一種全新的運(yùn)動控制技術(shù)，該技術(shù)是在當(dāng)前電流比較斬波驅(qū)動技術(shù)的前提下，克服其中的缺點(diǎn)而創(chuàng)新的一種全新的驅(qū)動方法。其核心技術(shù)是在電流比較斬波驅(qū)動的前提下增加了驅(qū)動元件發(fā)熱和高頻抑制保護(hù)技術(shù)。

　　優(yōu)點(diǎn)：兼有電流比較斬波驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)外，發(fā)熱特別小，使用壽命較長。

　　缺點(diǎn)：全新技術(shù)，價格比較高，目前每種步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器匹配要求相對比較嚴(yán)格。