高精度步進電機控制系統(tǒng)的研究畢業(yè)論文

1、步進電機是一種將電脈沖信號轉換為角位移的執(zhí)行機構，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，在數控領域得到了廣泛的應用。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生 共振，輸出轉矩隨著步進電機的轉速升高而下降，這些缺點制約了步進電機的應用 范H。步進電機的使用離不開步進電機驅動器，步進電機的運行性能與步進電機驅動 器的優(yōu)劣密切相關。傳統(tǒng)的驅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矩，造成低速運行時的振動和噪音加大。 并且為滿

2、足用戶對不同步距角的要求。本文在調研各種驅動技術的基礎上，設計實現了基于電流追蹤型脈寬調制(PWM) 技術的多細分兩相混合式步進電機驅動器，包括硬件設計、軟件實現。正弦電流細 分技術基本上克服了傳統(tǒng)步進電機低速振動大和噪音大的缺點，減小發(fā)生共振的兒 率。電流追蹤型脈寬調制(PWM)技術使電機運行在較大速度范H內轉矩保持恒定。 以滿足不同用戶和不同電機的要求，該驅動器的功率驅動部分使用NMOS智能功率 模塊，提高了驅動器可靠性。驅動器細分運行時減弱了混合式步進電機的低速振動，電機運轉平穩(wěn)，大大減 輕了噪聲；同時該驅動器具有較小的體積、較低的成本和較高的可靠性。關鍵詞：混合式步進電機細分驅動器脈寬

3、調制-49 -AbstractThe 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 operatio

4、n of stepper 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 moto

5、r* s application.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 v

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

7、driver adopts sine wave current subdividing and current tracking PWM technology. Sine wave current subdividing technology not only overcomes the disadvantages of motor* s vibration and noise at low speeds but also reduces probability ofresonance.Current tracking PWM technology can maintain constant

8、torque within wide speed range. Output phase current that can meet the need of different customer and motor. The power stage of this driver uses XMOS intelligent power module that provides high reliability.-43-This microstepping driver reduce vibration and noise of step motor. It has small size, low

9、 cost and high reliability.Keywords： Hybrid stepper motor Microstepping driver PWM-43 -第1章緒論L1步進電機概述L2步進電機特怔L3步進電機國內外發(fā)展趨勢1.3.1 國內發(fā)展趨勢1.3.2國外發(fā)展趨勢1.4主要研究內容第2章 步進電機的工作原理2.1步進電機的結構2.2步進電機的工作原理2.3步進電機的控制方法2. 3. 1 脈寬調制技術（PWM）的基本原理2.3.2 SPWM的調制方式2. 3. 3 電流追蹤型PffM控制2.4 PID控制算法的應用及設計2.4.1 PID控制原理2. 4. 2 數？ P

10、ID的控制算法2.4.3 PID各參數對系統(tǒng)的影響2. 5 本章小結-12 -13 -14 -14 -16 -17 -18 -19 -21 -第3章 步進電機控制系統(tǒng)的硬件設計3.1步進電機的控制電路3. 1. 1AVR單片機的優(yōu)點-21 -3. 1. 2AVR單片機的特性-21 -3. 1. 3AVR的結構框圖-23 -3. 1.4單片機電路設計-23 -3.2 D/A轉換電路-26 _-43 -3. 2. 1 TLC7528 的特點3. 22 TLC7528的時序圖3.2.3 D/A轉換的原理圖3.3步進電機的驅動電路3.3.1 D觸發(fā)器3.3.2 D觸發(fā):器電路3.3.3 驅動電路原理圖

11、3M 信號的放大電路3.5步進電機的檢測電路3. 5. 1 TL082 的特點3. 5.2 TL082引腳功能及內部結構圖3.5.3 檢測電路原理圖3.6 H橋電路3.6.1 H橋簡介3.6.2 H橋電路原理圖3.7本章小結-27 -27 -28 -28 -29 -29 -30 -SO-SO -31 -32 -第4章 步進電機控制系統(tǒng)的軟件設計4.1軟件設計的基本原則4.2主程序設計4.2.1 D/A轉換電路流程圖4.2.2 PID子程序流程圖4.2.3中斷服務程序4. 3 本章小結總結致謝參考文獻附錄b高精度步進電機控制系統(tǒng)原理圖（1）-37 -38 -39 -40 -40 -41 -42

12、-43 -45 -46 -43 -第1章緒論1.1步進電機概述步進電機乂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 脈沖信號轉化成相應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，山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。乂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成正比, 所以電機的線速度或轉速也與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的商低就可以在 很大的范H內調節(jié)電機的

13、轉速，并能快速起動、制動和反轉。所以，電機步距角和 轉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。它每轉一周都有固定的步數，在不丟步的悄況下運行，其步距誤差 不會長期積累。這些特點使它廣泛使用十數字控制的開環(huán)系統(tǒng)中，并使整個系統(tǒng)大 為簡化乂運行可靠。步進電機有多種不同的結構，主要類型可分為反應式步進電機、永磁式步進電 機和混合式步進電機。近20多年來，步進電機驅動技術和電機結構都得到了很大 的發(fā)展，逐漸形成以混合式及反應式為主的產品格局?；旌鲜讲竭M電動機是在同步 電動機或者說是在永磁感應子式同步電動機的基礎上發(fā)展起來的，其綜合了該兩類 步進電機的特點，

14、因此性能更好。國外步進電機研究較早，步進電機驅動技術的研究成果也很多，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 電機及其驅動器作為產品被廣泛利用。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商精度的定位控制以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，且無 累積誤差，故可達到高精度的定位控制。2位置及速度控制簡便步進電機在輸入

15、脈沖信號時，可以依輸入的脈沖數量做固定角度的旋轉而得到 靈活的角度控制（位置控制）。W為速度和輸入脈沖的頻率成正比，運轉速度可在相 當寬范H內平滑調節(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 入的脈沖數量和頻率構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狀態(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. 中低速時具備高轉矩(1)(2) 驅動器。(3)(4)步進電機在中低速時具有較大的轉矩，能夠

16、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：步進電機帶慣性負載的能力較差。不能直接使用普通的交直流電驅動，而必須使用專用設備一步進電機 輸出轉矩隨轉速的升高而下降。從應用的角度來看，嚴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悄況下采用開環(huán)運行的方式，它的主要運行性能完全依賴于驅 動器、負載和電機本身。有多種悄況會產生失步，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，所帶負載轉矩超過了起動轉矩, 共振等。通過改善驅動器的性能，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。步進電機在極低頻率下做連

17、續(xù)步進運行，即每改變一 次通電狀態(tài)，轉子轉過一個步距角。如果阻尼較小，這種運動是一個衰減的振蕩過 程，轉子是按自由振蕩頻率振蕩兒次才衰減到新的平衡位置而停止下來。每來一個 脈沖，轉子都從新的轉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。當脈沖頻率等于或者接近于電機的自山振蕩頻率時電機會出現嚴重的振 動，其至失步導致無法工作，這就是步進電機的低頻共振現象。一般不允許在共振 頻率下運行，從驅動器的方面來看，使用細分驅動技術可以有效的克服低頻共振的 危害。1.3步進電機國內外發(fā)展趨勢雖然步進電機是一種數控元件，一般數字電路的信號能量遠遠不足以驅動步進 電機，必須有一個與之匹配的驅動

18、電路來驅動步進電機。步進電機本體和步進電機 驅動電路兩者密不可分地組成步進電機系統(tǒng)。步進電機驅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) 尤其是其中的驅動電路部分也不斷地發(fā)展，國內外M繞步進電機驅動電路做了大量 的研究與開發(fā)。1.3.1國內發(fā)展趨勢現主要從以下兩個方面對其發(fā)展及國內研制概況進行論述：1. 放大級使用元件悄況驅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。最初使用的末級功放兀件是可控硅?？煽毓枋且环N脈沖觸發(fā)的開關器件，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 大功

19、率高低壓晶體管較少，所以用可控硅為功率器件的驅動器曾一度占據主流。可 控硅雖然觸發(fā)簡單，但關斷困難，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、開關速度快以及元件損耗小等優(yōu)點，并U_lll十采用先進的設 計，晶體管的開關特性和耐壓過流能力有了相當大的改進，因此近兒年國內外絕大 多數的驅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體場效應晶體管(VMOSFET)綜合了大功率雙極 晶體管和場效應晶體管的優(yōu)點，具有大功率、耐高壓、高增益的特點，因而可大大 提高驅動電源的可靠性。隨著成本的降低及使用經驗的積累，越來越多的驅動電

20、源 將會使用MOSFET作為末級功放元件。2. 驅動電源電路結構的發(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構。單電壓的驅動電路在二十 世紀六十年代初國外就已大量使用，它的主要特點是線路結構簡單和成本低，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。高低壓驅動電路在六十年代末出現，是隨著對步進電機要求大功率驅動和高頻 工作出現的。它的特點是改善了電流波形，電機的轉矩特性很好，啟動和運行頻率 得到很大的提高。但山十電機旋轉反電勢和互感等因素的影響，易使電流波形在高 壓工作結束

21、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。為了彌補高、低壓驅動電路的高、低壓電流波形在連接處為凹形的缺陷，提高 輸出轉矩，七十年代中期研制出斬波電路，該電路山十采用斬波技術，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的增加，故電機的輸出轉 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 電路應用相當廣泛。細分驅動電路在七十年代中期山美國學者首次提出，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兒分之一至兒十分之一。細分驅動 能極大地改善步進電機運行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕至消除振蕩。近兒年來, 山十微處理機技

22、術的發(fā)展，細分電路獲得了廣泛應用。1.3.2國外發(fā)展趨勢國外對步進電機的研究一直很活躍。U前，國外對步進電機的控制和驅動的一 個重要發(fā)展方向是大量采用專用芯片，結果是大大縮小驅動器的體積，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 進電機實現合理的加減速過程，同時完成計步、正反轉等。對十開環(huán)使用的步進電 機，實現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細分技術，內部集成PWM斬波控制和函數型雙極驅動電路細分 控制功能。U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 進電機的驅動。近年來，國外許

23、多廠商相繼推出了多種步進電機控制與驅動芯片和多種不同 功率等級的功率模塊，僅山兒個專用芯片和一個功率模塊便可構成一個功率齊全、 性能優(yōu)異的步進電機驅動器?？傃灾瑖馑捎玫募杉夹g到微電子技術、集成電路加工技術、電力電 子技術的前沿。1.4主要研究內容U前國內的步進電機驅動器一般都采用高低壓驅動方式或者調頻調壓驅動方 式，這些驅動電路僅可實現基本步距的運行，可靠性不高，還存在運行速度低、缺 乏保護電路、驅動效率低和發(fā)熱損耗大等缺點。隨著微電子技術的發(fā)展，出現了集 成化的驅動電路。我國現有應用的步進電機IC芯片主要依賴進口，而且，其中許 多步進電機驅動芯片僅提供整步和半步控制，大大約束了步進電

24、機性能的進一步提 高。與這類驅動方式相比，細分驅動可使步進電機獲得更小的步距角、更高的分辨 率，因此，細分驅動有更佳的控制效果。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)化運行的控制驅動芯片設計。兩相混合式步進電機是一種十分流行的步進電機，它即具有反應式步進電機的 高分辨率，每轉步數比較多的特點；乂具有永磁式步進電機的高效率，繞組電感比 較小的特點，所以應用十分廣泛。本課題的主要工作是設計一款步進電機細分控制驅動芯片，芯片內部的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

25、在步進電機低速運轉時的 扭矩變化和共振問題。該芯片具備以下特點：1. 1.5A連續(xù)輸出電流2. 36V最大輸出電壓3. 內部PWM電流控制4. 3位非線性數模轉換器5. 快、混合和慢電流衰減模式6. 內部的續(xù)流二極管7. 內部過熱關斷和欠壓保護電路-43 -第2章 步進電機的工作原理2.1步進電機的結構混合式步進電機的典型結構主要山定子、轉子和機殼構成。定子結構包括定子 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。按相數的多少分為不同結構的混合式步 進電機

26、，常見的是2相、3相和5相混合式步進電機。轉子山環(huán)形永磁體及兩段鐵 心組成，環(huán)形永磁體在轉子的中部，軸向充磁，使轉子一端極化為南磁極，另一端 極化為北磁極。兩段鐵心分別裝在永磁體的兩端，轉子鐵心上有小齒，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子有50齒，兩段鐵心上的小齒 相互錯開半個齒距，即錯開3.6。，定轉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。要是步進電機轉動，就必須對步進電機定子的各繞組已相當 的是時序進行通電。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

27、應式步進電機，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；其轉子有6個齒，分別為稱為 0、1、2、3、4、5齒。直流電源V通過開關Sa. Sb、Sc、Sd分別對A、B、C、D 相繞組輪流通電。開始時，開關Sb接通電源，Sa. Sc、Sd斷開，B相磁極和轉子0、3號齒對齊, 同時，轉子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞 組磁極產生錯齒。當開關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，使轉子轉動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號 齒和A、B相繞組產生錯

28、齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產生錯齒。依次類推, A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。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 四相步進電機轉子轉動一個齒距，需要四拍操作。山于按A-B-C-D-A相輪流通 電，則磁場沿A、B、C、D方向轉動了 360空間角，而這時沿ABCD方向轉動了一 個齒距的位置。在圖2-1中，轉子的齒數為6,故齒距角為60。360對于一個步進電機，如果它的轉子數為Z,它的齒距角0,如公式2-1所示。（式 2-1而步進電機運行N拍可

29、使轉子轉動一個齒距位置。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角0的計算方法如式2-2所示。（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2. 3, 1脈寬調制技術（PWM）的基本原理在采樣控制理論中有一個重要的結論: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。步進電機的相繞組是明顯的慣性環(huán)節(jié)，因此可以用PWM技術來控制電機繞組 的電流

30、大小。(c)圖2-2形狀不同而而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，就可把正弦半波看成是由X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正弦等 分點的中點重合，且使矩形脈沖和相應正弦部分面積(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

31、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，要改變等效輸出正弦波幅值時，只要按同一比例系數改變各 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、輻值和半個周期內的脈沖數后，PWM波形 各脈沖的寬度和間隔就可以準確地計算出來。按照計算結果控制電路中各開關器件 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，結果都要變化。較為實用的方法是采用調制的方法，即把所希望的 波形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過對載波的調制得到所期望的 PWM波形。通常采用等腰三角形作為載波，因為等腰三角形

32、上下寬度與高度成線性 關系且左右對稱，當它與任何一個平緩變化的調制信號波相交時，如在交點時刻控 制電路中開關器件的通斷，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。當調制信號為正弦波時，所得到的就是SPWM波如圖2-4所示。脈寬調制技術己經在變頻器、整流器和電氣傳動中得到了廣泛的應用。該技術 是利用PWM波控制功率半導體器件的導通與關斷，把直流電壓變成電壓脈沖序列， 實現弱電對強電的控制，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U的。2. 3. 2 SPWM的調制方式根據載波和信號波是否同步及載波比的變化悄況,PWM調制方式分為異步調制、 同步調制和分段同

33、步調制。(1) 同步調制在改變調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)保持不變。這種調制優(yōu)點是，在開關頻率較低時可以保證輸出波形的 對稱性。但是這種調制，在信號頻率較低時，載波的數量顯得稀疏，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矩也相應增大。另外，這種調制 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字化控制技術 時，帶來極大不便，難以實現。(2) 異步調制在調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。 這種調制的缺點恰是同步調制的優(yōu)點。但是，在IGBT等高速功率開關器件的悄況 下，由于載波頻率可以

34、做得很高，上述的缺點己小到完全可以忽略的程度。反之， 正山于是異步，在低頻輸出時，一個信號周期內，載波個數成數量級的增多，這對 抑制諧波電流、減輕電機的諧波損耗及轉矩脈動大有好處。另外，由于載波頻率是 固定的，也便于數字化控制。U前應用最廣泛的是這種調制方式。(3) 分段同步調制對于門極可關斷晶閘管(GTO)之類開關頻率不很高的功率器件，單使用同步調 制和異步調制都有失偏頗，此時采用分段同步調制。即在恒轉矩區(qū)的低速段采用異 步調制，在恒功率區(qū)的高速段采用同步調制。但是，在調制比切換時可能出現電壓 突變至振蕩。2. 3.3電流追蹤型PWM控制電流追蹤型PWM控制基本思路是:將一個正弦波電流給定信

35、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，則通過逆變器開關器件的動作使之減 小，反之，則使之增加。使實際輸出電流H繞著給定的正弦波電流作鋸齒形變化， 并將偏差限制在一定范H內；與此同時，逆變器輸出的電壓波成為PWM波。這樣， 如果逆變器的開關器件具有足夠高的開關頻率，則電機電流就能很快地調節(jié)其幅值 和相位，使電機電流得到高品質的動態(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)控制型和固定開關頻率型各 有各自的優(yōu)缺點。電流滯環(huán)型山于不需要三角載波環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)實現起來比較簡 單。而固定開關頻率型在

36、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 機驅動電路中可根據需要選擇合適的電流跟蹤型PWM控制方式。2.4 PI D控制算法的應用及設計2.4.1 PID控制原理為了進一步改進控制器的方法是通過檢測誤差的變化率來預報誤差，并對誤差 的變化做出響應，于是在PI調節(jié)器的基礎上再加上微分調節(jié)器，組成比例、積分、 微分(PID)調節(jié)器，其控制規(guī)律為：心匕心討W+T嚴dt(式 2-3)式中7；為微分常數，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，HO是給定值，y(0是系統(tǒng)的實際輸出值，給定值和實際值輸出值構成 控制偏差0(0 = r

37、(z) - y(f),其中MO作為PID控制器的輸入，U(t)作為PID控制器 的輸出和被控對象的輸入。C e(t),PID控制器u(t)被控對象1y(t)圖2-0 PID控制原理圖下面分別討論比例調節(jié)器P,積分調節(jié)器I,微分調節(jié)器D的作用：1.比例調節(jié)器(P)式中，心為比例系數，U。為偏差e =r-y=o時的控制作用(如原始閥門開度， 基準電壓等)。比例調節(jié)器與偏差成正比例調節(jié)，調節(jié)及時，誤差一旦產生，調節(jié)器立即產生 控制作用，使被控量y向減小偏差的方向變化，但這種調節(jié)使被控量y存在靜差，疋 1（式26）d(s)= u(s)+e(s)= Kp+苧二+Kp*Krs在工業(yè)過程控制中，模擬PID調

38、節(jié)器的執(zhí)行機構有電動，氣動，液動等類型 PID調節(jié)規(guī)律用硬件實現。而在微機控制系統(tǒng)中采用了數字控制器，即用軟件來實 現PID控制，因此要將模擬PID調節(jié)器離散化為數字PID控制算法。數字PID控制 算法，是立足于連續(xù)系統(tǒng)PID控制器的設汁，然后用微機進行數字模擬，這種方法 稱為模擬化設計方法。由于它要求較小的采樣周期，只能實現較簡單的控制算法。 選擇較大的釆樣周期后對控制質量有較高的要求時，就不能釆用數字控制器的模擬 化的設汁方法，而應該選擇數字控制器的直接設計方法。數字控制器的直接設計方法也稱為離散化的設計方法，在Z平面上的設計方 法,它根拯系統(tǒng)的性能要求，運用離散控制理論，直接設計控制系統(tǒng)

39、的數字控制器。 與模擬化設計方法相比更具有一般的意義，它完全是根據采樣系統(tǒng)的特點進行分析 與綜合，并導出相應的控制規(guī)律的。利用微機軟件的靈活性，就可以實現從簡單到 復雜的各種控制規(guī)律。2. 4.2數字PID的控制算法為了實現微機控制生產過程變量，必須將模擬的PID算式進行離散化，變?yōu)閿?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，如下逼近相當準確，被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近)：（式 2-7）（式28）u(t) 8u(k)e(t) e(k)（式 2-9）jF(f)df a 工= T o e (j)（式 2-10de/dt a e (k) -e (k-1) /

40、At= e (k) -e (k-1) /T式中T為釆用周期，k為采樣序號，k=0, 1, 2,，j,將上式帶入得db宀Uo （式2H）伙)= Kp*伙)+芳正心)+心)_心_1)其中，U (k)為調節(jié)器第k次輸出值；e (k), e (k-1)分別為笫k次和第 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) 行機構的位置(如控制閥門的開度)一一對應，所以稱之為位置型PID算法。在這種位置型控制算法中，山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，還與過去歷史采樣偏差有關，使得U (k)產生大幅度變化, 這樣會引起系統(tǒng)沖擊，祺至造成事故。所以在

41、實際中當執(zhí)行機構需要的不是控制量 的絕對值，而是其增量時，可以采用增量型PID算法，縣推導如下： 現球花伙7)-心7-7)+以伙門+鳥山伙門一細燈-門+亡伙T-ZT)(式2-12)當控制系統(tǒng)中的執(zhí)行期為步進電機，電動調節(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，一般均釆用增量PID的控制算法。2. 4.3 PID各參數對系統(tǒng)的影響1. 增益Kf與系統(tǒng)快速性成正比，與系統(tǒng)的靜差成反比。但Kp過大將使系統(tǒng)超 調過大，振蕩加劇，穩(wěn)定性變壞。2. 增大積分時間&有利于減小超調和振蕩，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Tm與系統(tǒng)快速性成正比，并能使超調減小，穩(wěn)定性增加，

42、但抗擾性 將變差。根據上述結論，可按如下步驟對參數實行先比例，后積分，再微分的整定步驟。 采用比例控制，矗由小變大。如果相應時間，超調，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氐。如果靜差達不到要求，則加入積分控制， 將Kp減小，例如每次減小到原來的90%,積分時間Ti III大到小。反復試湊多組Kp, Kt值，從中確定合適的參數。2.5本章小結在闡述了步進電機的分類及其各自主要特點的基礎上，本章主要詳細介紹了混 合式步進電機的內部結構和工作原理。同時，本章也歸納了步進電機的基本參數， 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 訃提供理論基礎

43、。第3章 步進電機控制系統(tǒng)的硬件設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動控制系 統(tǒng)的研究，主要包括系統(tǒng)控制電路的硬件設計和系統(tǒng)軟件設ih硬件電路構成原理 框圖參見如圖3-1所示。驅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，然后驅動步進電機按給定的方式轉動。此驅動器接受外部信號如：I門 反轉信號、細分狀態(tài)選擇信號信號、及脈沖信號后。當接受到這些信號后，執(zhí)行相 應的動作。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TLC7528轉換 為相應的模擬信號，該信號

44、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通來驅動步進 電機。D/A輸出不同的控制電壓，繞組中流過不同的電流值。山圖3-1中所示。電機-PWM斬波電路反tg電路廠-49 -圖3-1系統(tǒng)件設訃框圖系統(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外部脈沖到來后，輸出正、余弦細分控制函數到TLC7528,通過D/A 轉換成相應的模擬量。此外，單片機還要對外部信號，如細分狀態(tài)選擇信號、轉向 控制倍號、過流保護信號進行判斷處理，執(zhí)行相應的操作。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

45、大處理，以便和H橋的輸出電壓 相比較，在經過整形電路來做D觸發(fā)器的輸入信號來進行相應的信號驅動。采用的 芯片為TL084。3. 功率與驅動電路驅動部分采用由D觸發(fā)器輸出的信號作為驅動電路的輸入信號，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動器。一個7407 芯片可驅動一個橋臂上的M0SFET管，功率電路設計為H橋式功率驅動電路，所以需 要四個7407芯片，而這也只是來驅動電機的一相。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。當保護信號為高電 平時，

46、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, 實現保護U的。5. 光電隔離電路光電耦合器是實現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，實現將電能轉換成光能；光敏元件 為輸出回路，它將光能轉換成電能，實現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6X137.6. PWM斬波電路此論文用到的PWM斬波電路，只是曲該電路產生的波形來有效的控制MOSFET 管的開和關，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

47、的 ATMEGA16。AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內置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用 于計算機外部設備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個領域。3.1.1 AVR單片機的優(yōu)點1. 在相同的系統(tǒng)時鐘下AVR運行速度最快。2. 芯片內部的Flash, EEPROM、SRAM容量較大。3. 所有型號的Flash, EEPROM都可以反復燒寫、全部支持在線的編程燒寫。4多種頻率的內部RC振蕩器、上電自動復位、看門狗、啟動延時等作用，零 外H電路也可以工作。5.

48、每個I/O 口都可以來轉換驅動的方式輸出高、低電平，驅動能力強。6. 內部資源豐富，一般都集成AD、DA模數器；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 器山于它具有作用強大、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)程序設計上具有不可代替的地位。3. 1,2 AVR單片機的特性先進的RISC結構：131條指令，32個8位通用工作寄存器和外設控制寄存器, 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 程序和數據存儲器：16K字

49、節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash, 512字節(jié)的EEPROM, 1K字節(jié) 的內部SRAM。JTAG接口：遵循JTAG標準的邊界掃描功能，支持擴展的內片調試，通過JTAG 接口實現對Flash, EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。外設特點：兩個具有獨立的預分頻器和比較器功能的8位定時器/訃數器，兩 個具有預分頻器、比較功能和撲捉功能的16位定時器/訃數器，具有獨立預分頻器 的實時時鐘計數器，兩路8位PWM, 4路分辨率可編程的PWM,輸出比較調制器，8 路10位ADC,面向字節(jié)的兩線接口總線，兩個可編程的審行USART,可工作于主機/ 從機模式的SPI $行接口，具有獨立片內振蕩器的的可編程看門狗定

50、時器，片內模 擬比較器。特殊的處理器特點：上電復位以及可編程的掉電檢測，片內經過標定的RC振 蕩器，片內/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 過熔線位可以選擇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。-43 -3.1,3 AVR的結構框圖AVR的結構框圖如圖3-2所示:Aati ytf J It it 丄f 3y苴IV 吃吒5卯 MB nWHSHAYR CPUHA九 跡工IIpciWD vGCttx I wnn rMsrcwD ocnu. nnp wnriMw

51、I*rwi*4w *# WtviA o*m) Xy 44 A rMTRucmoiIJ 阿trwuwn-ririiK：r)fn MGTMnH J worxopg 1 MtncxwtiwxffmnMe n*rMUVfcMDCJ PftCajtw L 1 iXKWTDa rJ rnocr r ,n PiAW JVUMnpicnwLpurrofifiRBRTGttI r4Tcmc I TnA J wtwm q &tMwiHrncnpun i*urOCCV-LWMMf tr*L*u CAOVUTCCiOOC：J-*TOfls：s TJUJ DR W*-43-圖3-2 AVR結構框圖3.1,4單片機電路設

52、計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，復位 電路。單片機基本模塊如圖3-3所示。+5V圖3-3主控制電路1. 電源電路10引腳VCC：11引腳GXG：2. 控制電路(1) PB0、 位模擬量的傳輸。 的數據輸入輸出。接+5V電源正端接+5V電源地端PB2、PB3、PB6、PB7、PD4、PD5、PD6作為普通的I/O口，用于8 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 如果是MISO： SPI通道的主機數據輸入，從機數據輸出端口。工作于主機模式時，不論DDB6設置如何，這個引腳都將設置為輸入。工作于從機模 式時，這個引腳的數方向IIDDB6

53、控制。設置為輸入后，上拉電阻(1IP0RTB6控制。 MOSI： SPI通道的主機數據輸出，從機數據輸入端口。工作于從機模式時，不論DDB5 設置如何，這個引腳都將設置為輸入。當工作于主機模式時，這個引腳的數據方向 ihDDBS控制。設置為輸入后，上拉電阻山P0RTB5控制。(2) PCO、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用于控制數模轉換器WR高低電平的選取。3.晶振電路ATMEGA16單片機內含有一個高增益的反向放大器，通過XT

54、AL1. 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掘蕩放大器2。13XI12MHz12X2XTAL C222pFC322pF圖3-4晶振電路4復位電路主控制單片機的最小系統(tǒng)的復位電路采用上電復位。當電源電壓低于上電復位門限VPOT時，MCU復位上電復位(POR)脈沖山片內檢測電路產生。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)啟動復位，或者用來檢測電源故 障。POR電路保證器件在上電時復位。VCC達到上電門限電壓后觸發(fā)延遲汁數器。 在汁數器溢出之前器件一直保持為復位狀態(tài)。當VCC下降時，只要低于檢測門限， RE

55、SET信號立即生效，復位時所有的I/O寄存器都被設置為初始值，程序從復位向 量處開始執(zhí)行。復位向量處的指令必須是絕對跳轉JMP指令，以使程序跳轉到復位 處理例程。如果程序永遠不利用中斷功能，中斷向量可以由一般的程序代碼所覆蓋。 如圖3-5所示。ti?lOhFId：13n123Cg圖3-5復位電路3.2 D/A轉換電路TLC7528是雙路8位數字一模擬轉換器，他們設計成具有單獨的片內數據鎖存 器，其特點包括非常緊密的DAC-DAC 致性。數據通過公共8位輸入口傳送至兩個 DAC數據鎖存器中的任何一個，控制輸入端DACA/DACB決定哪個DAC被裝載。這些 器件的轉載周期與隨機存取存儲器的寫周期類似，能方便的與大多數通用微處理器 總線和輸出端口相接口。其工作電壓為5至15伏，功率小于15niW,工作范H溫度 為0到70度。3. 2.1 TLC7528 的特點1易于與微處理器接口。2. 片內數據所存。3. 在每個A/D轉換范H內具有單調性。4. 可與模擬器件AD7528和PMI PM-7528互換。5. 適合于包括與TMS320接口的數字信號處理（DSP）應用的快速控制信號。6. 電壓工作方式。7. CMOS工藝制造。3.2.2 TLC7528的時序圖TLC7528的時序圖如圖3-6所示:b5