基于單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)速度控制研究

1、 基于單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)速度控制研究  本文對(duì)步進(jìn)機(jī)一個(gè)全面的介紹，再基于單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的掌握。本文采納硬件掌握系統(tǒng)，通過(guò)單片機(jī)MC9S12XS128與光電編碼器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行速度的掌握。最終對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度曲線進(jìn)行討論。     步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)或者階躍電動(dòng)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)用于各種自動(dòng)化掌握系統(tǒng)之中，比如當(dāng)今電子鐘表、工業(yè)機(jī)械手、包裝機(jī)械和汽車制動(dòng)元件的測(cè)試中等。步進(jìn)電機(jī)在將來(lái)應(yīng)用前景會(huì)往更加小型化、從圓形電動(dòng)機(jī)往方形電動(dòng)機(jī)和四相、五相往三相電動(dòng)機(jī)進(jìn)展。而這便需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的掌握提出了更高的要求。   

2、; 1.步進(jìn)電機(jī)綜合介紹    1.1.步進(jìn)電機(jī)分類    步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類許多，從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)的類型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電磁式步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電機(jī)。    1.1.1.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)    反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組。一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大扭矩的輸出，步進(jìn)角一般為1.5度。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，成本低，但噪音大。   

3、  1.1.2.永磁式步進(jìn)電機(jī)    永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大，步進(jìn)角一般為7.5度或15度。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小，但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，還需正負(fù)脈沖供電。    1.1.3.混合式步進(jìn)電機(jī)    混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)。它分為兩相和五相，兩相的步進(jìn)角一般為1.8度，而五相的步進(jìn)角為0.72度?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以供應(yīng)軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需供應(yīng)變化的磁場(chǎng)而不必供應(yīng)磁材

4、料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。    目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電機(jī)。    1.2.步進(jìn)電機(jī)的工作原理    步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移增量，也即是說(shuō)，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，便驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)肯定的角位移量。我們可以通過(guò)掌握脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)掌握步進(jìn)電機(jī)的角位移量，通過(guò)掌握脈沖的頻率來(lái)掌握速度與加速度。    定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞組，其幾何軸線分別于轉(zhuǎn)子的軸線錯(cuò)開(kāi)。當(dāng)A相通電時(shí)，由于定齒的A齒與轉(zhuǎn)子的1齒對(duì)齊，沒(méi)有切向力，轉(zhuǎn)子靜止，接著B(niǎo)相通電，轉(zhuǎn)子齒偏移定子

5、一個(gè)角度，由于勵(lì)磁磁通力圖沿著磁阻最小的路徑通過(guò)，因此對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到定子齒對(duì)齊位置時(shí)，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無(wú)切向力的作用，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在該位置上。綜上可得出，錯(cuò)齒是促使步進(jìn)機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本緣由。    在非超載的狀況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)和脈沖頻率，而不受負(fù)荷變化的影響。本文是基于這個(gè)條件下進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)速度掌握討論。    2.步進(jìn)電機(jī)掌握系統(tǒng)的討論    2.1.脈沖掌握的方法    實(shí)現(xiàn)脈沖的安排的方法有兩種：軟件法和硬件法。軟件法在電機(jī)運(yùn)行的過(guò)

6、程中，要不停地產(chǎn)生掌握脈沖，占用了CPU大量的時(shí)間，可能會(huì)使單片機(jī)無(wú)法進(jìn)行其它工作，所以現(xiàn)在大部分都是采納硬件法。    2.2.掌握系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的討論    良好的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案能強(qiáng)有力的支撐步進(jìn)電機(jī)升降速曲線的設(shè)計(jì)。掌握系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào), 通過(guò)驅(qū)動(dòng)器就能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。角位移量與脈沖個(gè)數(shù)相關(guān)。步進(jìn)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)時(shí)，能夠產(chǎn)生兩種狀態(tài)：制動(dòng)加載能夠產(chǎn)生最大或部分保持轉(zhuǎn)矩（通常稱為剎車保持，無(wú)需電磁制動(dòng)或機(jī)械制動(dòng)）及轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（能夠被外部推力帶動(dòng)輕松旋轉(zhuǎn)）。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，必需與步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)相匹配。否則，將會(huì)損壞步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能直接影響和制約加減速曲線的效果。其    硬件方面，基于MC9S12XS128 16位MCU以及光電編碼器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)板電路支撐軟件平臺(tái)。    MC9S12XS128是飛思卡爾公司為成本敏感型汽車車身電子應(yīng)用而設(shè)計(jì)的16位微掌握器，其相關(guān)特性足以滿意此掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。MC9S12XS128 MCU主要特性：    (1)S12X CPU， 最高總線速度40MHz；    (2)2.128KB閃存，帶有錯(cuò)誤校正功能（ECC）；