第3章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制2

1、1 第第3 3章章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制第第1 1節(jié)節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法 第第2 2節(jié)節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制 第第3 3節(jié)節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)- -位控制位控制 第第4 4節(jié)節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的程序設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的程序設(shè)計(jì)2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用維護(hù)方便、可靠性高、制造成本步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用維護(hù)方便、可靠性高、制造成本低。適用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和現(xiàn)有機(jī)床的數(shù)控化改造，且在中、小型低。適用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和現(xiàn)有機(jī)床的數(shù)控化改造，且在中、小型機(jī)床和速度、精度要求不是很

2、高的場合得到了廣泛的應(yīng)用。機(jī)床和速度、精度要求不是很高的場合得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器步進(jìn)控制器、功率放大器功率放大器及及步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)組組成。成。步進(jìn)控制器是由步進(jìn)控制器是由緩沖寄存器緩沖寄存器、環(huán)形分配器環(huán)形分配器、控制邏輯控制邏輯及及正、反轉(zhuǎn)控制正、反轉(zhuǎn)控制門門等組成。等組成。典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖3-193-19所示。這種控制方式中，由于步進(jìn)控所示。這種控制方式中，由于步進(jìn)控制器線路復(fù)雜、成本高，因而限制了它的使用。制器線路復(fù)雜、成本高，因而限制了它的使用。一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制

3、步進(jìn)控制器步進(jìn)控制器功率放大器功率放大器步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)負(fù)載負(fù)載圖圖3-193-19 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成方向控制方向控制脈沖脈沖3隨著電子技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動(dòng)電路之外，其它硬件電路均可由軟隨著電子技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動(dòng)電路之外，其它硬件電路均可由軟件實(shí)現(xiàn)。采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，件實(shí)現(xiàn)。采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由軟件代替步進(jìn)控制器由軟件代替步進(jìn)控制器，不僅簡化了，不僅簡化了線路，降低了成本而且可靠性也大為提高，同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的需要可線路，降低了成本而且可靠性也大為提高，同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的需要可靈活改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案，使用起來很方便。典型的微型機(jī)控制靈活改變步進(jìn)電機(jī)的控制方

4、案，使用起來很方便。典型的微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)原理圖如圖步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)原理圖如圖3-203-20所示。所示。使用微型機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制有使用微型機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制有串行和并行串行和并行兩種方式。兩種方式。 接口接口 微型機(jī)微型機(jī) 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī) 負(fù)載負(fù)載圖圖3-203-20 微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理系統(tǒng)微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理系統(tǒng)4（一）串行控制（一）串行控制 具有串行控制功能的具有串行控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)與與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間，具有，具有較少的連線較少的連線，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中必須含有環(huán)形分配器。這種，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中

5、必須含有環(huán)形分配器。這種控制方式的示意圖如圖控制方式的示意圖如圖3-213-21所示。所示。CP脈沖脈沖 方式信號(hào)方式信號(hào)方向信號(hào)方向信號(hào) P1.0 8031 P1.1 P1.2 環(huán)行分配器環(huán)行分配器功率放大器功率放大器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖圖3-21 3-21 串行控制示意圖串行控制示意圖 驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)電源5 P1.1 P1.2 8031 P1.3 P1.4 P1.5 A相相B相相C相相 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器D相相E相相12345圖圖3-22 3-22 并行控制示意圖并行控制示意圖用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多個(gè)端口直接去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多個(gè)端口直接去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路

6、的方法稱為并行控制。法稱為并行控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈沖分配功能的方法有兩種：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈沖分配功能的方法有兩種：一種是純軟件方法一種是純軟件方法，即完全用軟，即完全用軟件來實(shí)現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)；件來實(shí)現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)；另一種是軟、另一種是軟、硬件相結(jié)合的方法硬件相結(jié)合的方法，有專門設(shè)計(jì)的一種編程器接口，計(jì)算機(jī)向接口輸入，有專門設(shè)計(jì)的一種編程器接口，計(jì)算機(jī)向接口輸入簡單形式的代碼數(shù)據(jù)，而接口輸出的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相導(dǎo)通或截止的信簡單形式的代碼數(shù)據(jù)，而接口輸出的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。并行控制方案的示意圖如圖號(hào)。并行控制方案的示意圖如圖3-223-

7、22所示。所示。（二）并行控制（二）并行控制6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制是通過控制單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率（或周期）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制是通過控制單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率（或周期）來實(shí)現(xiàn)：來實(shí)現(xiàn)： 軟脈沖分配方式：軟脈沖分配方式：可以采用調(diào)整兩個(gè)步進(jìn)控制字之間的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)可以采用調(diào)整兩個(gè)步進(jìn)控制字之間的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)調(diào)速；調(diào)速； 硬脈沖分配方式：硬脈沖分配方式：可以控制步進(jìn)脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速?？梢钥刂撇竭M(jìn)脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。系統(tǒng)可用兩種方法來確定步進(jìn)脈沖的周期：系統(tǒng)可用兩種方法來確定步進(jìn)脈沖的周期： 一種是軟件延時(shí)一種是軟件延時(shí): :軟件延時(shí)的方法是通過調(diào)用延時(shí)子程序的方法來實(shí)軟件延時(shí)的方法

8、是通過調(diào)用延時(shí)子程序的方法來實(shí)現(xiàn)的，它占用大量現(xiàn)的，它占用大量CPUCPU時(shí)間，因此沒有實(shí)用價(jià)值。時(shí)間，因此沒有實(shí)用價(jià)值。 另一種是通過定時(shí)器中斷的方法另一種是通過定時(shí)器中斷的方法: :定時(shí)器方法是通過設(shè)置定時(shí)時(shí)間常定時(shí)器方法是通過設(shè)置定時(shí)時(shí)間常數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到而使定時(shí)器產(chǎn)生溢出時(shí)發(fā)生中斷，在數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到而使定時(shí)器產(chǎn)生溢出時(shí)發(fā)生中斷，在中斷子程序中進(jìn)行改變中斷子程序中進(jìn)行改變P1.0P1.0電平狀態(tài)的操作，改變定時(shí)常數(shù)，就可改變電平狀態(tài)的操作，改變定時(shí)常數(shù)，就可改變方波的頻率，得到一個(gè)給定頻率的方波輸出，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。方波的頻率，得到一個(gè)給定頻率的方波輸出，從而

9、實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 （三）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)變速控制（三）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)變速控制例：例：p647n在開環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩在很大程度上取決于驅(qū)在開環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)電源和控制方式。對(duì)于不同的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或同一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)而不動(dòng)電源和控制方式。對(duì)于不同的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或同一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)而不同負(fù)載，勵(lì)磁電流和失調(diào)角發(fā)生改變，輸出轉(zhuǎn)矩都會(huì)隨之發(fā)生改變，同負(fù)載，勵(lì)磁電流和失調(diào)角發(fā)生改變，輸出轉(zhuǎn)矩都會(huì)隨之發(fā)生改變，很難找到通用的控速規(guī)律，因此，也很難提高步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。很難找到通用的控速規(guī)律，因此，也很難提高步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。n閉環(huán)系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)是直接或間

10、接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適，然后通過反饋和適當(dāng)處理自動(dòng)給出驅(qū)動(dòng)脈沖串。因此采用閉環(huán)控制可以獲得更精確的位當(dāng)處理自動(dòng)給出驅(qū)動(dòng)脈沖串。因此采用閉環(huán)控制可以獲得更精確的位置控制和更高、更平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速，從而提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)。置控制和更高、更平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速，從而提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)。n步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是勵(lì)磁電流和失調(diào)角勵(lì)磁電流和失調(diào)角的函數(shù)。為了獲得較高的的函數(shù)。為了獲得較高的輸出轉(zhuǎn)矩，必須考慮到電流的變化和失調(diào)角的大小，這對(duì)于開環(huán)控制輸出轉(zhuǎn)矩，必須考慮到電流的變化和失調(diào)角的大小，這對(duì)于開環(huán)控制來說是很難實(shí)現(xiàn)的。來說是很難實(shí)

11、現(xiàn)的。二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制8 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制有不同的方案，主要有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制有不同的方案，主要有核步法核步法，延遲時(shí)間法延遲時(shí)間法，用位置傳感器用位置傳感器的閉環(huán)系統(tǒng)等；的閉環(huán)系統(tǒng)等； 例如采用光電脈沖編碼器例如采用光電脈沖編碼器作為位置檢測元件，作為位置檢測元件，閉環(huán)控制原理框圖如閉環(huán)控制原理框圖如圖所示。其中編碼器的分辨力必須與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步矩角相匹配。圖所示。其中編碼器的分辨力必須與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步矩角相匹配。 開始工作，開始工作，先把目標(biāo)位置送入減法計(jì)數(shù)器；然后，先把目標(biāo)位置送入減法計(jì)數(shù)器；然后，“起動(dòng)起動(dòng)”脈沖信脈沖信號(hào)加到控制單元上，控制單元

12、在號(hào)加到控制單元上，控制單元在“起動(dòng)起動(dòng)”脈沖的作用下，立即把步進(jìn)命脈沖的作用下，立即把步進(jìn)命令送入環(huán)形分配器，使勵(lì)磁變化一次，后續(xù)的脈沖則由編碼器裝置產(chǎn)生。令送入環(huán)形分配器，使勵(lì)磁變化一次，后續(xù)的脈沖則由編碼器裝置產(chǎn)生。編碼器每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，就對(duì)法計(jì)數(shù)器減編碼器每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，就對(duì)法計(jì)數(shù)器減1 1，因而，減法計(jì)數(shù)器記錄的，因而，減法計(jì)數(shù)器記錄的是實(shí)際的轉(zhuǎn)子位置。當(dāng)減法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)減至零時(shí)，發(fā)出一個(gè)停止信號(hào)是實(shí)際的轉(zhuǎn)子位置。當(dāng)減法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)減至零時(shí)，發(fā)出一個(gè)停止信號(hào)到控制單元，禁止以后的步進(jìn)命令，系統(tǒng)停止工作。到控制單元，禁止以后的步進(jìn)命令，系統(tǒng)停止工作。9 第第3章章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制步進(jìn)

13、電動(dòng)機(jī)的控制第第1 1節(jié)節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法 第第2 2節(jié)節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制 第第3 3節(jié)節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)- -位控制位控制 第第4 4節(jié)節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的程序設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的程序設(shè)計(jì)10一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)- -位控制位控制 對(duì)于點(diǎn)、位控制系統(tǒng)，從起點(diǎn)對(duì)于點(diǎn)、位控制系統(tǒng)，從起點(diǎn)至終點(diǎn)的運(yùn)行速度都有一定要求。至終點(diǎn)的運(yùn)行速度都有一定要求。 如果要求運(yùn)行頻率（速度）小如果要求運(yùn)行頻率（速度）小于系統(tǒng)的極限啟動(dòng)頻率，于系統(tǒng)的極限啟動(dòng)頻率，則系統(tǒng)可則系統(tǒng)可以按要求的頻率

14、（速度）直接起動(dòng)，以按要求的頻率（速度）直接起動(dòng)，運(yùn)行至終點(diǎn)后可立即停發(fā)脈沖串而運(yùn)行至終點(diǎn)后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止。系統(tǒng)在這樣的運(yùn)行方式令其停止。系統(tǒng)在這樣的運(yùn)行方式下其速度可認(rèn)為是恒定的。下其速度可認(rèn)為是恒定的。 但在一般情況下，系統(tǒng)的極限但在一般情況下，系統(tǒng)的極限啟動(dòng)頻率是比較低的，而要求的運(yùn)啟動(dòng)頻率是比較低的，而要求的運(yùn)行速度往往較高行速度往往較高。如果系統(tǒng)以要求。如果系統(tǒng)以要求的速度直接起動(dòng)，因?yàn)樵擃l率已超的速度直接起動(dòng)，因?yàn)樵擃l率已超過極限啟動(dòng)頻率而不能正常起動(dòng)，過極限啟動(dòng)頻率而不能正常起動(dòng)，可能發(fā)生丟步或不能起動(dòng)的情況?？赡馨l(fā)生丟步或不能起動(dòng)的情況。圖圖3-24 3-24 點(diǎn)、

15、位控制中的加減速控制點(diǎn)、位控制中的加減速控制減速減速（時(shí)間）（時(shí)間）t t終點(diǎn)終點(diǎn)低速低速恒速恒速升速升速起點(diǎn)起點(diǎn) 11n系統(tǒng)運(yùn)行起來之后，如果到達(dá)終點(diǎn)時(shí)突然停發(fā)脈沖串令其立即停止，系統(tǒng)運(yùn)行起來之后，如果到達(dá)終點(diǎn)時(shí)突然停發(fā)脈沖串令其立即停止，則因?yàn)橄到y(tǒng)的慣性原因，發(fā)生沖過終點(diǎn)的現(xiàn)象，使點(diǎn)則因?yàn)橄到y(tǒng)的慣性原因，發(fā)生沖過終點(diǎn)的現(xiàn)象，使點(diǎn)- -位控制精度發(fā)位控制精度發(fā)生偏差。因此在點(diǎn)生偏差。因此在點(diǎn)- -位控制過程中，運(yùn)行速度都需要有一個(gè)位控制過程中，運(yùn)行速度都需要有一個(gè)加速加速- -恒速恒速- -減速減速- -（低恒速）（低恒速）- -停止停止的過程，如圖的過程，如圖3-243-24所示。所示。n

16、升速規(guī)律一般可有兩種選擇：一是升速規(guī)律一般可有兩種選擇：一是按直線規(guī)律升速按直線規(guī)律升速，二是，二是按指數(shù)規(guī)律按指數(shù)規(guī)律升速升速。按直線規(guī)律升速時(shí)加速度為恒值，因此要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的。按直線規(guī)律升速時(shí)加速度為恒值，因此要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。轉(zhuǎn)矩為恒值。 減速減速（時(shí)間）（時(shí)間）t t終點(diǎn)終點(diǎn)低速低速恒速恒速升速升速起點(diǎn)起點(diǎn) 圖圖3-24 3-24 點(diǎn)、位控制中的加減速控制點(diǎn)、位控制中的加減速控制12用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上就是改變輸出步進(jìn)脈沖的時(shí)間間用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上就是改變輸出步進(jìn)脈沖的時(shí)間間隔。升速時(shí)使脈沖串逐漸加密，減速時(shí)使脈沖串逐漸稀疏

17、。微機(jī)常用定時(shí)器中隔。升速時(shí)使脈沖串逐漸加密，減速時(shí)使脈沖串逐漸稀疏。微機(jī)常用定時(shí)器中斷的方式來控制電動(dòng)機(jī)變速。斷的方式來控制電動(dòng)機(jī)變速。一般用離散辦法來逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計(jì)算裝載計(jì)數(shù)值的時(shí)一般用離散辦法來逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計(jì)算裝載計(jì)數(shù)值的時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就把各離散點(diǎn)的速度所需的計(jì)數(shù)值固化在系統(tǒng)的把各離散點(diǎn)的速度所需的計(jì)數(shù)值固化在系統(tǒng)的EPROMEPROM中中，系，系統(tǒng)運(yùn)行中用查表方法查出所需的裝載值，從而大大減少占用統(tǒng)運(yùn)行中用查表方法查出所需的裝載值，從而大大減少占用CPUCPU時(shí)間，提高系時(shí)間，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。統(tǒng)響應(yīng)速度。系統(tǒng)在執(zhí)行升降速的

18、控制過程中，對(duì)加減速的控制還需準(zhǔn)備下列數(shù)據(jù)：系統(tǒng)在執(zhí)行升降速的控制過程中，對(duì)加減速的控制還需準(zhǔn)備下列數(shù)據(jù)：加減速的斜率；加減速的斜率；升速過程的總步數(shù)；升速過程的總步數(shù)；恒速運(yùn)行總步數(shù)；恒速運(yùn)行總步數(shù)；減速運(yùn)行總步數(shù)。減速運(yùn)行總步數(shù)。 要想使步進(jìn)電機(jī)按一定的速率精確地到達(dá)指定的位置（角度或線位要想使步進(jìn)電機(jī)按一定的速率精確地到達(dá)指定的位置（角度或線位移），步進(jìn)電機(jī)的移），步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)步數(shù)N N和和延時(shí)時(shí)間延時(shí)時(shí)間t t是兩個(gè)重要的參數(shù)。前者用來控制是兩個(gè)重要的參數(shù)。前者用來控制步進(jìn)電機(jī)的精度，后者用來控制步進(jìn)電機(jī)的速率。如何確定這兩個(gè)參數(shù)是步進(jìn)電機(jī)的精度，后者用來控制步進(jìn)電機(jī)的速率。如何確定

19、這兩個(gè)參數(shù)是步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)中十分重要的問題。步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)中十分重要的問題。13（一）步進(jìn)電機(jī)步數(shù)的確定（一）步進(jìn)電機(jī)步數(shù)的確定 步進(jìn)電機(jī)常用來步進(jìn)電機(jī)常用來控制角度和位移控制角度和位移。 若用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)若用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)1010圈的多圈定位器來調(diào)整電壓，假定其調(diào)節(jié)范圈的多圈定位器來調(diào)整電壓，假定其調(diào)節(jié)范圍為圍為0 010V10V，現(xiàn)在需要把電壓從，現(xiàn)在需要把電壓從2V2V升到升到2.1V2.1V，步進(jìn)電機(jī)的行程角度為：，步進(jìn)電機(jī)的行程角度為：10V:360010V:3600=(2.1V-2V):X X=36=(2.1V-2V):X X=36 如果用三相三拍控制方式，由

20、步距角公式可定出步距角為如果用三相三拍控制方式，由步距角公式可定出步距角為3 3，由此可計(jì)，由此可計(jì)算出步數(shù)算出步數(shù)N=36/3=12步。步。如果用三相六拍控制方式，由步距角公式可定出如果用三相六拍控制方式，由步距角公式可定出步距角為步距角為1.51.5，由此可計(jì)算出步數(shù)，由此可計(jì)算出步數(shù)N=36N=36/1.5/1.5=24=24步。步。 可見，改變步進(jìn)電機(jī)的控制方式，可以提高精度，但在同樣的脈沖周期下，可見，改變步進(jìn)電機(jī)的控制方式，可以提高精度，但在同樣的脈沖周期下，步進(jìn)電機(jī)的速率將減慢。同理，可求出任意位移量與步數(shù)之間的關(guān)系。步進(jìn)電機(jī)的速率將減慢。同理，可求出任意位移量與步數(shù)之間的關(guān)系。

21、14（二）步進(jìn)電機(jī)控制速率的確定（二）步進(jìn)電機(jī)控制速率的確定 步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)是精確定位的重要參數(shù)之一。在某些場合，不但步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)是精確定位的重要參數(shù)之一。在某些場合，不但要求能精確定位，而且還要求在一定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)預(yù)定的位置，這就要求能精確定位，而且還要求在一定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)預(yù)定的位置，這就要求控制步進(jìn)電機(jī)的速率。要求控制步進(jìn)電機(jī)的速率。 步進(jìn)電機(jī)速率控制的方法就是步進(jìn)電機(jī)速率控制的方法就是改變每個(gè)脈沖的時(shí)間間隔改變每個(gè)脈沖的時(shí)間間隔，亦即改，亦即改變速度控制程序中的延時(shí)時(shí)間。例如，若步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)變速度控制程序中的延時(shí)時(shí)間。例如，若步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1010圈需要圈需要20002000毫秒，則每轉(zhuǎn)

22、動(dòng)一圈需要的時(shí)間為毫秒，則每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要的時(shí)間為t=2000ms/10=200mst=2000ms/10=200ms，每走一步距每走一步距角需要的時(shí)間為：角需要的時(shí)間為：smskmzTt 8332403200 所以，只要在輸出一個(gè)脈沖后，延時(shí)所以，只要在輸出一個(gè)脈沖后，延時(shí)833833s s，即可達(dá)到上述之要求。，即可達(dá)到上述之要求。15 一般步進(jìn)電機(jī)對(duì)空載最高啟動(dòng)頻率有所限制。一般步進(jìn)電機(jī)對(duì)空載最高啟動(dòng)頻率有所限制。所謂空載最高啟動(dòng)頻率所謂空載最高啟動(dòng)頻率是指是指電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)不失步的啟動(dòng)的最大控制脈沖頻率。當(dāng)步進(jìn)電電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)不失步的啟動(dòng)的最大控制脈沖頻率。當(dāng)

23、步進(jìn)電機(jī)機(jī)帶有負(fù)載時(shí)，它的啟動(dòng)頻率要低于最高空載啟動(dòng)頻率帶有負(fù)載時(shí)，它的啟動(dòng)頻率要低于最高空載啟動(dòng)頻率。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)矩頻特。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)矩頻特性可知，啟動(dòng)頻率越高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小。性可知，啟動(dòng)頻率越高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小。 變速控制的基本思想是變速控制的基本思想是：啟動(dòng)時(shí)，以低于響應(yīng)頻率的速度慢慢加速，到一：啟動(dòng)時(shí)，以低于響應(yīng)頻率的速度慢慢加速，到一定速率后恒速運(yùn)行，快要到達(dá)終點(diǎn)時(shí)慢慢減速，以低于響應(yīng)速率的速度運(yùn)行，定速率后恒速運(yùn)行，快要到達(dá)終點(diǎn)時(shí)慢慢減速，以低于響應(yīng)速率的速度運(yùn)行，直到走完規(guī)定的步數(shù)后停機(jī)。這樣，步進(jìn)電機(jī)便可以最快的速度走完所規(guī)定的直到走完規(guī)定的步數(shù)后停機(jī)。這樣，步進(jìn)電機(jī)便可以最快的速度

24、走完所規(guī)定的步數(shù)，而又不出現(xiàn)失步。變速控制過程如圖步數(shù)，而又不出現(xiàn)失步。變速控制過程如圖3-243-24所示。所示。（三）步進(jìn)電機(jī)的變速控制（三）步進(jìn)電機(jī)的變速控制減速減速（時(shí)間）（時(shí)間）t t終點(diǎn)終點(diǎn)低速低速恒速恒速升速升速起點(diǎn)起點(diǎn) 圖圖3-24 3-24 點(diǎn)、位控制中的加減速控制點(diǎn)、位控制中的加減速控制16 改變控制方式的變速控制改變控制方式的變速控制：最簡單的變速控制可利用改變步進(jìn)電：最簡單的變速控制可利用改變步進(jìn)電機(jī)的控制方式實(shí)現(xiàn)。例如：對(duì)于三相步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，啟動(dòng)或停止時(shí)機(jī)的控制方式實(shí)現(xiàn)。例如：對(duì)于三相步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，啟動(dòng)或停止時(shí)用三相六拍，大約用三相六拍，大約0.1s0.1s以后，改用

25、三相三拍，快到達(dá)終點(diǎn)時(shí)再采用以后，改用三相三拍，快到達(dá)終點(diǎn)時(shí)再采用三相六拍，以達(dá)到減速控制的目的。三相六拍，以達(dá)到減速控制的目的。 均勻地改變脈沖時(shí)間間隔的變速控制均勻地改變脈沖時(shí)間間隔的變速控制：步進(jìn)電機(jī)的加速（或減速）：步進(jìn)電機(jī)的加速（或減速）控制，可以用均勻地改變脈沖時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)?？刂?，可以用均勻地改變脈沖時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)。 采用定時(shí)器的變速控制采用定時(shí)器的變速控制：單片機(jī)控制系統(tǒng)中，用單片機(jī)內(nèi)部的定：單片機(jī)控制系統(tǒng)中，用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來提供延時(shí)時(shí)間。方法是將定時(shí)器初始化后，每隔一定的時(shí)間，時(shí)器來提供延時(shí)時(shí)間。方法是將定時(shí)器初始化后，每隔一定的時(shí)間，由定時(shí)器向由定時(shí)器向CPUCPU申

26、請(qǐng)一次中斷，申請(qǐng)一次中斷，CPUCPU響應(yīng)中斷后，便發(fā)出一次控制脈響應(yīng)中斷后，便發(fā)出一次控制脈沖。此時(shí)只要均勻地改變定時(shí)器時(shí)間常數(shù)，即可達(dá)到均勻加速（或沖。此時(shí)只要均勻地改變定時(shí)器時(shí)間常數(shù)，即可達(dá)到均勻加速（或減速）的目的。這種方法可以提高控制系統(tǒng)的效率。減速）的目的。這種方法可以提高控制系統(tǒng)的效率。變速控制的方法有：變速控制的方法有：17n步進(jìn)電機(jī)的速度控制曲線如圖步進(jìn)電機(jī)的速度控制曲線如圖3-253-25所示。此圖是按勻加速原理畫所示。此圖是按勻加速原理畫出來的，對(duì)于某些場合也可采用變加速原理來實(shí)現(xiàn)速度控制。出來的，對(duì)于某些場合也可采用變加速原理來實(shí)現(xiàn)速度控制。圖圖3-25 3-25 步進(jìn)

27、電機(jī)的速度控制曲線步進(jìn)電機(jī)的速度控制曲線a0a0a=0tV018 第第3章章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制第第1 1節(jié)節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法 第第2 2節(jié)節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開、閉環(huán)控制 第第3 3節(jié)節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)- -位控制位控制 第第4 4節(jié)節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的程序設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的程序設(shè)計(jì)19 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的程序設(shè)計(jì)一般分為如下幾個(gè)步驟：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的程序設(shè)計(jì)一般分為如下幾個(gè)步驟： 根據(jù)總體設(shè)計(jì)，確定程序設(shè)計(jì)的功能要求（如速度控制：加速、根據(jù)總體設(shè)計(jì)，確定程序設(shè)計(jì)的功能要求（如速度控制：加速

28、、勻速、減速；方向控制等）；設(shè)計(jì)程序的算法流程圖；程序的設(shè)計(jì)、勻速、減速；方向控制等）；設(shè)計(jì)程序的算法流程圖；程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試和測試；系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。調(diào)試和測試；系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。 在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)中，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)中，微機(jī)代替了步進(jìn)控制器微機(jī)代替了步進(jìn)控制器。用微。用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)。主要解決如下幾個(gè)問題：機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)。主要解決如下幾個(gè)問題：(1) (1) 用軟件的方法產(chǎn)生脈沖序列；用軟件的方法產(chǎn)生脈沖序列；(2) (2) 步進(jìn)電機(jī)的方向控制；步進(jìn)電機(jī)的方向控制；(3) (3) 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)。步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)。20一、步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)的產(chǎn)生一、步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)的產(chǎn)生

29、n在步進(jìn)電機(jī)控制軟件中必須解決一個(gè)重要問題，就是產(chǎn)生一個(gè)如圖在步進(jìn)電機(jī)控制軟件中必須解決一個(gè)重要問題，就是產(chǎn)生一個(gè)如圖3-3-2626所示的周期性脈沖序列：所示的周期性脈沖序列：n由軟件實(shí)現(xiàn)脈沖波的方法是先輸出一高電平，然后再利用軟件延時(shí)一由軟件實(shí)現(xiàn)脈沖波的方法是先輸出一高電平，然后再利用軟件延時(shí)一段時(shí)間，然后輸出低電平，再延時(shí)。延時(shí)時(shí)間的長短由步進(jìn)電機(jī)的工段時(shí)間，然后輸出低電平，再延時(shí)。延時(shí)時(shí)間的長短由步進(jìn)電機(jī)的工作頻率來決定。作頻率來決定。t周期周期 圖圖3-26 3-26 脈沖序列脈沖序列斷電時(shí)間斷電時(shí)間通電時(shí)間通電時(shí)間脈沖高度脈沖高度V021 從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理知，從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工

30、作原理知，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向由內(nèi)部繞組的通步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向由內(nèi)部繞組的通電相序決定（方向控制），轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比（速度控制），轉(zhuǎn)角電相序決定（方向控制），轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比（速度控制），轉(zhuǎn)角大小與脈沖個(gè)數(shù)有關(guān)（位置控制）。大小與脈沖個(gè)數(shù)有關(guān)（位置控制）。 步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)主要任務(wù)是：是： （1 1） 判斷旋轉(zhuǎn)方向；判斷旋轉(zhuǎn)方向； （2 2） 按順序傳送控制脈沖；按順序傳送控制脈沖； （3 3） 判斷所要求的控制步進(jìn)數(shù)是否傳送完畢。判斷所要求的控制步進(jìn)數(shù)是否傳送完畢。 下面主要介紹下面主要介紹位置控制和加、減速控制程序位置控制和加、減速控制程序。二、步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行

31、控制及程序設(shè)計(jì)二、步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制及程序設(shè)計(jì)22 步進(jìn)電機(jī)控制程序就是完成環(huán)形分配器的任務(wù)，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制程序就是完成環(huán)形分配器的任務(wù)，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度和相位的目的。的轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度和相位的目的。 首先要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向的判別，然后轉(zhuǎn)到相應(yīng)的控制程序。正反向首先要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向的判別，然后轉(zhuǎn)到相應(yīng)的控制程序。正反向控制程序分別按要求的控制順序輸出相應(yīng)的控制脈沖，再加上脈沖延控制程序分別按要求的控制順序輸出相應(yīng)的控制脈沖，再加上脈沖延時(shí)程序即可。脈沖序列的個(gè)數(shù)可以用寄存器時(shí)程序即可。脈沖序列的個(gè)數(shù)可以用寄存器CLCL進(jìn)行計(jì)數(shù)。控制模型可進(jìn)行計(jì)數(shù)?？刂颇Ｐ?/p>

32、可以以立即數(shù)的形式給出。以以立即數(shù)的形式給出。 例：所有的操作都發(fā)生在定時(shí)中斷程序，每中斷一次，例：所有的操作都發(fā)生在定時(shí)中斷程序，每中斷一次，P1.0P1.0翻翻轉(zhuǎn)一次，兩次中斷步進(jìn)電機(jī)走一步。轉(zhuǎn)一次，兩次中斷步進(jìn)電機(jī)走一步。 30H30H、31H31H存放定時(shí)常數(shù)，低位在前；存放定時(shí)常數(shù)，低位在前； 32H32H34H34H存放絕對(duì)位置參數(shù)，低位在前；存放絕對(duì)位置參數(shù)，低位在前； 35H35H、36H36H存放步數(shù)，低位在前；存放步數(shù)，低位在前； （一）步進(jìn)電機(jī)的位置控制程序設(shè)計(jì)（一）步進(jìn)電機(jī)的位置控制程序設(shè)計(jì)23圖圖3-27 3-27 位置控制程序流程圖位置控制程序流程圖24 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

33、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從起點(diǎn)到終點(diǎn)時(shí)，要經(jīng)歷步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從起點(diǎn)到終點(diǎn)時(shí)，要經(jīng)歷升速升速- -恒速恒速- -減速減速的過程。如圖的過程。如圖3-243-24、3-253-25所示。速度離散后并不是一直上升的，而是每所示。速度離散后并不是一直上升的，而是每升一級(jí)都要在該級(jí)上保持一段時(shí)間，因此實(shí)際加速軌跡呈階梯狀。如果升一級(jí)都要在該級(jí)上保持一段時(shí)間，因此實(shí)際加速軌跡呈階梯狀。如果速度是等間距分布，那么在該速度級(jí)上保持的時(shí)間不一樣長。為了簡化，速度是等間距分布，那么在該速度級(jí)上保持的時(shí)間不一樣長。為了簡化，我們我們用速度級(jí)數(shù)與一個(gè)常數(shù)的乘積來模擬用速度級(jí)數(shù)與一個(gè)常數(shù)的乘積來模擬，并且保持的時(shí)間用步數(shù)，

34、并且保持的時(shí)間用步數(shù)代替。因此速度每升一級(jí)，步進(jìn)電機(jī)都要在該級(jí)上走代替。因此速度每升一級(jí)，步進(jìn)電機(jī)都要在該級(jí)上走步（其中為步（其中為速度級(jí)數(shù)）。如圖速度級(jí)數(shù)）。如圖3-283-28所示。減速過程是加速時(shí)的逆過程。所示。減速過程是加速時(shí)的逆過程。 （二）步進(jìn)電機(jī)的加、減速控制程序設(shè)計(jì)（二）步進(jìn)電機(jī)的加、減速控制程序設(shè)計(jì)圖圖3-28 3-28 加速曲線離散化加速曲線離散化tNCN+4N+3N+2N+1N025主要參數(shù)有：主要參數(shù)有：速度級(jí)數(shù)：速度級(jí)數(shù)：R1R1= =N N；級(jí)步數(shù)：級(jí)步數(shù)：R2=R2=NCNC；加速過程的總步數(shù)：加速過程的總步數(shù)：35H35H、36H36H恒速過程的總步數(shù)恒速過程的總步數(shù):37H-39H:37H-39H減速過程的總步數(shù)減速過程的總步數(shù):3AH-3BH:3AH-3BH加減速狀態(tài)指針：加減速狀態(tài)指針：R3R3，加速指向，加速指向35H,35H,恒速指向恒速指向37H37H，減速指向，減速指向3AH3AH絕對(duì)位置參數(shù)：絕對(duì)位置參數(shù)：32H-34H32H-34H定時(shí)常數(shù)序列放在以定時(shí)常數(shù)序列放在以ABCABC為起始地址的為起始地