高精度步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究

1、<p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　高精度步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是有較高的定位精度，無(wú)位置累積誤差，并且特有的開(kāi)環(huán)運(yùn)行機(jī)制，與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比減少系統(tǒng)成本，

2、提高了可靠性，在數(shù)控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)、噪聲大，在步進(jìn)電機(jī)的自然振蕩頻率附近運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生共振，輸出轉(zhuǎn)矩隨著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高而下降，這些缺點(diǎn)制約了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的使用離不開(kāi)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣密切相關(guān)。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式偏重使步進(jìn)電機(jī)繞組電流以盡可能短的時(shí)間上升到額定值，從而提高電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩，造成低速運(yùn)

3、行時(shí)的振動(dòng)和噪音加大。并且為滿足用戶對(duì)不同步距角的要求。</p><p>　　本文在調(diào)研各種驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于電流追蹤型脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的多細(xì)分兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，包括硬件設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)。正弦電流細(xì)分技術(shù)基本上克服了傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)低速振動(dòng)大和噪音大的缺點(diǎn)，減小發(fā)生共振的幾率。電流追蹤型脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)使電機(jī)運(yùn)行在較大速度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩保持恒定。以滿足不同用戶和不同電機(jī)的要求,該驅(qū)動(dòng)器的功

4、率驅(qū)動(dòng)部分使用NMOS智能功率模塊，提高了驅(qū)動(dòng)器可靠性。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)器細(xì)分運(yùn)行時(shí)減弱了混合式步進(jìn)電機(jī)的低速振動(dòng)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，大大減輕了噪聲;同時(shí)該驅(qū)動(dòng)器具有較小的體積、較低的成本和較高的可靠性。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 混合式步進(jìn)電機(jī) 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器 脈寬調(diào)制</p><p><b>　　Abstract</b><

5、/p><p>　　The 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

6、error from one step to the next. Compared to closed loop control, open loop operation of stepper motor is more reliable and less expensive. The disadvantages in using a step motor are vibration and noise at low speeds, r

7、esonance when the motor is operated at or around the natural resonance frequenc</p><p>　　Step motor cannot work without step motor driver. Its performance is close related to stepper motor driver. Traditiona

8、lly, 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, motor's vibration and noise is greater at low speeds. Other

9、wise, many types of step motor and</p><p>　　driver have to be produced in order to satisfy customer's need for different step angles</p><p>　　After study many kinds of driver technology, a m

10、icrostepping driver for two-phase hybrid stepper motor has been designed. The driver adopts sine wave current subdividing and current tracking PWM technology. Sine wave current subdividing technology not only overcomes t

11、he disadvantages of motor's vibration and noise at low speeds but also reduces probability of resonance. Current tracking PWM technology can maintain constant torque</p><p>　　within wide speed range. Out

12、put phase current that can meet the need of </p><p>　　different customer and motor. The power stage of this driver uses NMOS intelligent power module that provides high reliability.</p><p>　　Thi

13、s microstepping driver reduce vibration and noise of step motor.It has small size, low cost and high reliability. </p><p>　　KeyWords： Hybrid stepper motor Microstepping driver PWM</p><p><b

14、>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 緒 論- 1 -</p><p>　　1.1 步進(jìn)電機(jī)概述- 1 -</p><p>　　1.2 步進(jìn)電機(jī)特怔- 2 -</p><p>　　1.3 步進(jìn)電機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)- 3 -</p><p>　　1.3.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)

15、- 3 -</p><p>　　1.3.2 國(guó)外發(fā)展趨勢(shì)- 5 -</p><p>　　1.4 主要研究?jī)?nèi)容- 5 -</p><p>　　第2章 步進(jìn)電機(jī)的工作原理- 7 -</p><p>　　2.1 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)- 7 -</p><p>　　2.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理- 7 -</p

16、><p>　　2.3 步進(jìn)電機(jī)的控制方法- 9 -</p><p>　　2.3.1 脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）的基本原理- 9 -</p><p>　　2.3.2 SPWM的調(diào)制方式- 12 -</p><p>　　2.3.3 電流追蹤型PWM控制- 13 -</p><p>　　2.4 PID控制算法的應(yīng)用

17、及設(shè)計(jì)- 14 -</p><p>　　2.4.1 PID控制原理- 14 -</p><p>　　2.4.2 數(shù)字PID的控制算法- 16 -</p><p>　　2.4.3 PID各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響- 17 -</p><p>　　2.5 本章小結(jié)- 18 -</p><p>　　第3章 步進(jìn)電

18、機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)- 19 -</p><p>　　3.1 步進(jìn)電機(jī)的控制電路- 21 -</p><p>　　3.1.1 AVR單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)- 21 -</p><p>　　3.1.2 AVR單片機(jī)的特性- 21 -</p><p>　　3.1.3 AVR的結(jié)構(gòu)框圖- 23 -</p><p>　

19、　3.1.4單片機(jī)電路設(shè)計(jì)- 23 -</p><p>　　3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路- 26 -</p><p>　　3.2.1 TLC7528的特點(diǎn)- 26 -</p><p>　　3.2.2 TLC7528的時(shí)序圖- 27 -</p><p>　　3.2.3 D/A轉(zhuǎn)換的原理圖- 27 -</p><

20、p>　　3.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路- 28 -</p><p>　　3.3.1 D觸發(fā)器- 28 -</p><p>　　3.3.2 D觸發(fā)器電路- 29 -</p><p>　　3.3.3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖- 29 -</p><p>　　3.4 信號(hào)的放大電路- 30 -</p><p>　

21、　3.5 步進(jìn)電機(jī)的檢測(cè)電路- 30 -</p><p>　　3.5.1 TL082的特點(diǎn)- 30 -</p><p>　　3.5.2TL082引腳功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖- 31 -</p><p>　　3.5.3 檢測(cè)電路原理圖- 32 -</p><p>　　3.6 H橋電路- 32 -</p><p&g

22、t;　　3.6.1 H橋簡(jiǎn)介- 32 -</p><p>　　3.6.2 H橋電路原理圖- 35 -</p><p>　　3.7 本章小結(jié)- 35 -</p><p>　　第4章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)- 36 -</p><p>　　4.1 軟件設(shè)計(jì)的基本原則- 36 -</p><p>　　

23、4.2 主程序設(shè)計(jì)- 37 -</p><p>　　4.2.1 D/A轉(zhuǎn)換電路流程圖- 38 -</p><p>　　4.2.2 PID子程序流程圖- 39 -</p><p>　　4.2.3 中斷服務(wù)程序- 40 -</p><p>　　4.3 本章小結(jié)- 40 -</p><p>　　總 結(jié)

24、- 41 -</p><p>　　致 謝- 42 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 43 -</p><p>　　附錄1：高精度步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖（1）- 45 -</p><p>　　高精度步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖（2）- 46 -</p><p><b>　　第1章 緒 論</b&

25、gt;</p><p>　　1.1 步進(jìn)電機(jī)概述</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)或階躍電機(jī)，它是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電機(jī)。它可以看作是一種特殊運(yùn)行方式的同步電動(dòng)機(jī)，由專用電源供給電脈沖，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就移動(dòng)一步。這種電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式與普通迅速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)有一定的差別，它是步進(jìn)式運(yùn)動(dòng)的，所以稱步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。又因其繞組上所

26、加的電源式脈沖電壓，有時(shí)也稱它為脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)受脈沖信號(hào)控制，它的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比，所以電機(jī)的線速度或轉(zhuǎn)速也與脈沖頻率成正比，通過(guò)改變脈沖頻率的高低就可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。所以，電機(jī)步距角和轉(zhuǎn)速大小都不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件如溫度、氣壓、沖擊和振動(dòng)等影響。它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。這些特點(diǎn)使它廣泛使用十?dāng)?shù)字控

27、制的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，并使整個(gè)系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化又運(yùn)行可靠。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)有多種不同的結(jié)構(gòu)，主要類型可分為反應(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)。近20多年來(lái)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和電機(jī)結(jié)構(gòu)都得到了很大的發(fā)展，逐漸形成以混合式及反應(yīng)式為主的產(chǎn)品格局?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)是在同步電動(dòng)機(jī)或者說(shuō)是在永磁感應(yīng)子式同步電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其綜合了該兩類步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，因此性能更好。</p><

28、p>　　國(guó)外步進(jìn)電機(jī)研究較早，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究成果也很多，如今正在研究開(kāi)發(fā)以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高性能伺服系統(tǒng)。我國(guó)步進(jìn)電機(jī)的研究及制造始十上世紀(jì)50年代后期，對(duì)步進(jìn)電機(jī)精確模型也做了大量研究工作，如今，各種步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品被廣泛利用。</p><p>　　1.2 步進(jìn)電機(jī)特怔</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)具有自身的特點(diǎn)，歸納起來(lái)有：</p><

29、;p>　　1.步進(jìn)電機(jī)最大特征是能夠簡(jiǎn)單的做到高精度的定位控制</p><p>　　以5相步進(jìn)電機(jī)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3～5%以內(nèi)，且無(wú)累積誤差，故可達(dá)到高精度的定位控制。</p><p>　　2.位置及速度控制簡(jiǎn)便</p><p>　　步進(jìn)

30、電機(jī)在輸入脈沖信號(hào)時(shí)，可以依輸入的脈沖數(shù)量做固定角度的旋轉(zhuǎn)而得到靈活的角度控制(位置控制)。因?yàn)樗俣群洼斎朊}沖的頻率成正比，運(yùn)轉(zhuǎn)速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。</p><p>　　3.可以直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制</p><p>　　因?yàn)椴骄嗾`差不長(zhǎng)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(shù)量和頻率構(gòu)成具有一定精度的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p><

31、;b>　　4.高可靠性</b></p><p>　　不使用電刷，電機(jī)的壽命長(zhǎng)，僅取決于軸承的壽命。</p><p><b>　　5.具定位保持力矩</b></p><p>　　永磁式、混合式步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下(無(wú)脈沖信號(hào)輸入時(shí))，仍具有勵(lì)磁保持力矩，故即使不靠機(jī)械式的剎車，也能做到停止位置的保持。</p>&l

32、t;p>　　6.中低速時(shí)具備高轉(zhuǎn)矩</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)在中低速時(shí)具有較大的轉(zhuǎn)矩，能夠較同級(jí)伺服電機(jī)提供更大的扭力輸出。同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)也有自己的一些缺點(diǎn):</p><p>　?。?）步進(jìn)電機(jī)帶慣性負(fù)載的能力較差。</p><p>　?。?）不能直接使用普通的交直流電驅(qū)動(dòng)，而必須使用專用設(shè)備—步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。</p><p>　　

33、（3）輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。</p><p>　?。?）從應(yīng)用的角度來(lái)看，嚴(yán)重制約步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)問(wèn)題是失步和振蕩。由于步進(jìn)電機(jī)在大多數(shù)情況下采用開(kāi)環(huán)運(yùn)行的方式，它的主要運(yùn)行性能完全依賴于驅(qū)動(dòng)器、負(fù)載和電機(jī)本身。有多種情況會(huì)產(chǎn)生失步，比如起動(dòng)或停止頻率超過(guò)突跳頻</p><p>　　率，電機(jī)高速運(yùn)行的脈沖頻率超過(guò)了最大運(yùn)行頻率，所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，共振等。通過(guò)改善驅(qū)動(dòng)器的性能，

34、可以減小運(yùn)行中失步的可能。步進(jìn)電機(jī)的低頻振蕩是另一個(gè)需要解決的問(wèn)題。步進(jìn)電機(jī)在極低頻率下做連續(xù)步進(jìn)運(yùn)行，即每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。如果阻尼較小，這種運(yùn)動(dòng)是一個(gè)衰減的振蕩過(guò)程，轉(zhuǎn)子是按自由振蕩頻率振蕩幾次才衰減到新的平衡位置而停止下來(lái)。每來(lái)一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子都從新的轉(zhuǎn)矩曲線的躍變中獲得一次能量的補(bǔ)充，這種能量越大，振蕩越厲害。當(dāng)脈沖頻率等于或者接近于電機(jī)的自由振蕩頻率時(shí)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的振動(dòng)，甚至失步導(dǎo)致無(wú)法工作，這就是步進(jìn)電機(jī)

35、的低頻共振現(xiàn)象。一般不允許在共振頻率下運(yùn)行，從驅(qū)動(dòng)器的方面來(lái)看，使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以有效的克服低頻共振的危害。</p><p>　　1.3 步進(jìn)電機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　雖然步進(jìn)電機(jī)是一種數(shù)控元件，一般數(shù)字電路的信號(hào)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須有一個(gè)與之匹配的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)本體和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路兩者密不可分地組成步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源同步進(jìn)電機(jī)

36、本身是一個(gè)整體，其性能好壞直接影響步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。多年來(lái)，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)尤其是其中的驅(qū)動(dòng)電路部分也不斷地發(fā)展，國(guó)內(nèi)外圍繞步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路做了大量的研究與開(kāi)發(fā)。</p><p>　　1.3.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　現(xiàn)主要從以下兩個(gè)方面對(duì)其發(fā)展及國(guó)內(nèi)研制概況進(jìn)行論述：</p><p>　　1.放大級(jí)使用元件情況</p><p&g

37、t;　　驅(qū)動(dòng)電源性能的好壞及可靠性，在很大程度上與末級(jí)功放所用的功率元件直接相關(guān)。最初使用的末級(jí)功放兀件是可控硅?？煽毓枋且环N脈沖觸發(fā)的開(kāi)關(guān)器件，它突出的優(yōu)點(diǎn)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(guó)內(nèi)大功率高低壓晶體管較少，所以用可控硅為功率器件的驅(qū)動(dòng)器曾一度占據(jù)主流?？煽毓桦m然觸發(fā)簡(jiǎn)單，但關(guān)斷困難，容易形成誤觸發(fā)，可靠性差，抗干擾能不好。近</p><p>　　年來(lái)隨著大功率晶體管的發(fā)展一般

38、不再采用。</p><p>　　具有控制方便、開(kāi)關(guān)速度快以及元件損耗小等優(yōu)點(diǎn)，并目_由十采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)，晶體管的開(kāi)關(guān)特性和耐壓過(guò)流能力有了相當(dāng)大的改進(jìn)，因此近幾年國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)的驅(qū)動(dòng)電源使用晶體二極管作為末級(jí)功放元件。</p><p>　　進(jìn)年來(lái)，V形槽金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(VMOSFET)綜合了大功率雙極晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)點(diǎn)，具有大功率、耐高壓、高增益的特點(diǎn)，因而可大大提高

39、驅(qū)動(dòng)電源的可靠性。隨著成本的降低及使用經(jīng)驗(yàn)的積累，越來(lái)越多的驅(qū)動(dòng)電源將會(huì)使用MOSFET作為末級(jí)功放元件。</p><p>　　2.驅(qū)動(dòng)電源電路結(jié)構(gòu)的發(fā)展</p><p>　　不同形式的功率放大電路對(duì)電機(jī)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(jí)結(jié)構(gòu)。單電壓的驅(qū)動(dòng)電路在二十世紀(jì)六十年代初國(guó)外就已大量使用，它的主要特點(diǎn)是線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低，電機(jī)的高

40、頻特性好。缺點(diǎn)是功耗較大，因?yàn)樗话阌檬」β驶騿?dòng)、運(yùn)行頻率要求不高的場(chǎng)合。</p><p>　　高低壓驅(qū)動(dòng)電路在六十年代末出現(xiàn)，是隨著對(duì)步進(jìn)電機(jī)要求大功率驅(qū)動(dòng)和高頻工作出現(xiàn)的。它的特點(diǎn)是改善了電流波形，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性很好，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率得到很大的提高。但由十電機(jī)旋轉(zhuǎn)反電勢(shì)和互感等因素的影響，易使電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開(kāi)始的銜接處呈凹形，致使電機(jī)的輸出力矩有所下降。</p><p&

41、gt;　　為了彌補(bǔ)高、低壓驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)矩，七十年代中期研制出斬波電路，該電路由十采用斬波技術(shù)，使繞組電流在額定值上下成鋸齒波形波動(dòng)，電流繞組的有效電流相應(yīng)的增加，故電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，能基本上保持恒定;整個(gè)系統(tǒng)的功耗非常小，電源效率較高，因恒流斬波電路應(yīng)用相當(dāng)廣泛。</p><p>　　細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路在七十年代中期由美國(guó)學(xué)者首次提出，它通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)各相繞組中電流的大小

42、和比例，使步距角減小到原來(lái)的幾分之一至幾十分之一。細(xì)分驅(qū)動(dòng)能極大地改善步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除振蕩。近幾年來(lái)，由十微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，細(xì)分電路獲得了廣泛應(yīng)用。</p><p>　　1.3.2 國(guó)外發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　國(guó)外對(duì)步進(jìn)電機(jī)的研究一直很活躍。目前，國(guó)外對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)的一個(gè)重要發(fā)展方向是大量采用專用芯片，結(jié)果是大大縮小驅(qū)動(dòng)器的體積，明顯提高了整

43、機(jī)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(lái)保證步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)合理的加減速過(guò)程，同時(shí)完成計(jì)步、正反轉(zhuǎn)等。對(duì)十開(kāi)環(huán)使用的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)合理的加減速過(guò)程便可使其達(dá)到較高的運(yùn)行頻率后仍不失步或過(guò)沖。另一類芯片的核心是實(shí)現(xiàn)細(xì)分技術(shù)，內(nèi)部集成PWM斬波控制和函數(shù)型雙極驅(qū)動(dòng)電路細(xì)分控制功能。目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(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　近年來(lái)，國(guó)外許多廠商

44、相繼推出了多種步進(jìn)電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)芯片和多種不同功率等級(jí)的功率模塊，僅由幾個(gè)專用芯片和一個(gè)功率模塊便可構(gòu)成一個(gè)功率齊全、性能優(yōu)異的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。</p><p>　　總言之，國(guó)外所采用的集成技術(shù)到微電子技術(shù)、集成電路加工技術(shù)、電力電子技術(shù)的前沿。</p><p>　　1.4 主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一般都采用高低壓驅(qū)動(dòng)方式或者調(diào)頻

45、調(diào)壓驅(qū)動(dòng)方式，這些驅(qū)動(dòng)電路僅可實(shí)現(xiàn)基本步距的運(yùn)行，可靠性不高，還存在運(yùn)行速度低、缺乏保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)效率低和發(fā)熱損耗大等缺點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集成化的驅(qū)動(dòng)電路。我國(guó)現(xiàn)有應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)IC芯片主要依賴進(jìn)口，而且，其中許多步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片僅提供整步和半步控制，大大約束了步進(jìn)電機(jī)性能的進(jìn)一步提高。與這類驅(qū)動(dòng)方式相比，細(xì)分驅(qū)動(dòng)可使步進(jìn)電機(jī)獲得更小的步距角、更高的分辨率，因此，細(xì)分驅(qū)動(dòng)有更佳的控制效果。本課題的研究主要針對(duì)常用的兩相混合

46、式步進(jìn)電機(jī)，皆在進(jìn)行使步進(jìn)電機(jī)優(yōu)化運(yùn)行的控制驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)。</p><p>　　兩相混合式步進(jìn)電機(jī)是一種十分流行的步進(jìn)電機(jī)，它即具有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的高分辨率，每轉(zhuǎn)步數(shù)比較多的特點(diǎn);又具有永磁式步進(jìn)電機(jī)的高效率，繞組電感比較小的特點(diǎn)，所以應(yīng)用十分廣泛。</p><p>　　本課題的主要工作是設(shè)計(jì)一款步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制驅(qū)動(dòng)芯片，芯片內(nèi)部的PWM控制回路和3位非線性DAC可控制電機(jī)繞組電流工作在全

47、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(shí)可減小在步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩變化和共振問(wèn)題。</p><p>　　該芯片具備以下特點(diǎn):</p><p>　　1．士1.5A連續(xù)輸出電流</p><p>　　2．36V最大輸出電壓 </p><p>　　3．內(nèi)部PWM電流控制</p><p&

48、gt;　　4．3位非線性數(shù)模轉(zhuǎn)換器</p><p>　　5．快、混合和慢電流衰減模式</p><p>　　6．內(nèi)部的續(xù)流二極管</p><p>　　7．內(nèi)部過(guò)熱關(guān)斷和欠壓保護(hù)電路</p><p>　　第2章 步進(jìn)電機(jī)的工作原理</p><p>　　2.1 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　

49、混合式步進(jìn)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)主要由定子、轉(zhuǎn)子和機(jī)殼構(gòu)成。定子結(jié)構(gòu)包括定子磁極，繞組線圈和絕緣材料組成。定子上有多個(gè)磁極，每個(gè)磁極上繞有勵(lì)磁線圈，磁極末端有均勻的小齒。相對(duì)兩個(gè)磁極的勵(lì)磁繞組串聯(lián)在一起構(gòu)成一相的控制繞組，通電時(shí)，這兩個(gè)磁極的極性是相同的。按相數(shù)的多少分為不同結(jié)構(gòu)的混合式步進(jìn)電機(jī)，常見(jiàn)的是2相、3相和5相混合式步進(jìn)電機(jī)。轉(zhuǎn)子由環(huán)形永磁體及兩段鐵心組成，環(huán)形永磁體在轉(zhuǎn)子的中部，軸向充磁，使轉(zhuǎn)子一端極化為南磁極，另一端極化為北磁極。

50、兩段鐵心分別裝在永磁體的兩端，轉(zhuǎn)子鐵心上有小齒，兩段鐵心上的小齒相互錯(cuò)開(kāi)半個(gè)齒距。通常三相步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子有50齒，兩段鐵心上的小齒相互錯(cuò)開(kāi)半個(gè)齒距，即錯(cuò)開(kāi)，定轉(zhuǎn)子小齒的齒距通常相同。</p><p>　　2.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的工作原理就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。在一般的步進(jìn)電機(jī)工作中，其電源都是采用單極性的直流電源。要是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，就必須對(duì)步進(jìn)電機(jī)定子的各繞組已相

51、當(dāng)?shù)氖菚r(shí)序進(jìn)行通電。步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)過(guò)程可以用圖2-1來(lái)說(shuō)明。該步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)四相感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其定子的每一相都有一個(gè)電極，每個(gè)電極都只有一個(gè)齒，即磁極本身，故四相步進(jìn)電機(jī)共有四對(duì)磁極共8個(gè)齒；其轉(zhuǎn)子有6個(gè)齒，分別為稱為0、1、2、3、4、5齒。直流電源V通過(guò)開(kāi)關(guān)Sa、Sb、Sc、Sd分別對(duì)A、B、C、D相繞組輪流通電。</p><p>　　開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)Sb接通電源，Sa、Sc、Sd斷開(kāi)，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒

52、對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。</p><p>　　當(dāng)開(kāi)關(guān)Sc接通電源，Sb、Sa、Sd斷開(kāi)時(shí)，由于C相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。&l

53、t;/p><p>　　如果對(duì)一相繞組通電的操作稱為一拍，那么對(duì)A、B、C、D四相繞組通電需要四拍。對(duì)A、B、C、D四相繞組輪流通電一次稱為一個(gè)周期。從上面分析看出，該四相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距，需要四拍操作。由于按A→B→C→D→A相輪流通電，則磁場(chǎng)沿A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)了360°空間角，而這時(shí)沿ABCD方向轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)齒距的位置。在圖2-1中，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為6，故齒距角為60°。</p&g

54、t;<p>　　對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，如果它的轉(zhuǎn)子數(shù)為Z，它的齒距角，如公式2-1所示。</p><p>　　= = （式2-1）</p><p>　　而步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行N 拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距位置。實(shí)際上，步進(jìn)電機(jī)每一拍就執(zhí)行一次步進(jìn)，所以步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角θ的計(jì)算方法如式2-2所示。</p><p&g

55、t;　　= = （式2-2）</p><p>　　圖2-1 步進(jìn)電機(jī)工作原理圖</p><p>　　2.3 步進(jìn)電機(jī)的控制方法</p><p>　　2.3.1 脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）的基本原理</p><p>　　在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具

56、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(shuō)的效果基本相同，指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)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(chǔ)。步進(jìn)電機(jī)的相繞組是明顯的慣性環(huán)節(jié)，因此可以用PWM技術(shù)來(lái)控制電機(jī)繞組的電流大小。</p><p>　　（a） (b)

57、 (c)</p><p>　　圖2-2 形狀不同而面積相同的各種脈沖</p><p>　　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N個(gè)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(shù)量的等幅度而不等寬的矩形脈沖序列代替，使脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分點(diǎn)

58、的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)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(jù)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(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可。</p><p>　　圖2-

59、3 正弦波的等效PWM波</p><p>　　按上述原理，在給出了正弦波頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出來(lái)。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。但是這種計(jì)算是很繁瑣的，正弦波的頻率、幅值等變化時(shí)，結(jié)果都要變化。較為實(shí)用的方法是采用調(diào)制的方法，即把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM

60、波形。通常采用等腰三角形作為載波，因?yàn)榈妊切紊舷聦挾扰c高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交時(shí)，如在交點(diǎn)時(shí)刻控制電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號(hào)幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。當(dāng)調(diào)制信號(hào)為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波如圖2-4所示 。</p><p>　　脈寬調(diào)制技術(shù)己經(jīng)在變頻器、整流器和電氣傳動(dòng)中得到了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)是利用PWM波控制功率半導(dǎo)體器件的導(dǎo)

61、通與關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖序列，實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng)電的控制，并通過(guò)控制電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達(dá)到變壓變頻的目的。</p><p>　　圖2-4 SPWM波的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　2.3.2 SPWM的調(diào)制方式</p><p>　　根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制、同步調(diào)制和分段同步調(diào)制。</p>&

62、lt;p><b>　　(1) 同步調(diào)制</b></p><p>　　在改變調(diào)制信號(hào)周期的同時(shí)成比例地改變載波周期，使載波頻率與信號(hào)頻率的比值(載波比)保持不變。這種調(diào)制優(yōu)點(diǎn)是，在開(kāi)關(guān)頻率較低時(shí)可以保證輸出波形的對(duì)稱性。但是這種調(diào)制，在信號(hào)頻率較低時(shí)，載波的數(shù)量顯得稀疏，電流的波形脈動(dòng)較大，諧波分量劇增，電機(jī)的諧波損耗及脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。另外，這種調(diào)制由于載波周期隨信號(hào)周期連續(xù)變化而變

63、化，在利用微計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化控制技術(shù)時(shí)，帶來(lái)極大不便，難以實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　(2) 異步調(diào)制</b></p><p>　　在調(diào)制信號(hào)周期變化的同時(shí)，載波周期仍保持不變，因此，載波比隨之變化。這種調(diào)制的缺點(diǎn)恰是同步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。但是，在IGBT等高速功率開(kāi)關(guān)器件的情況下，由于載波頻率可以做得很高，上述的缺點(diǎn)己小到完全可以忽略的程度。反之，正由于是異步，在

64、低頻輸出時(shí)，一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，載波個(gè)數(shù)成數(shù)量級(jí)的增多，這對(duì)抑制諧波電流、減輕電機(jī)的諧波損耗及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大有好處。另外，由于載波頻率是固定的，也便于數(shù)字化控制。目前應(yīng)用最廣泛的是這種調(diào)制方式。</p><p>　　(3) 分段同步調(diào)制</p><p>　　對(duì)于門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)之類開(kāi)關(guān)頻率不很高的功率器件，單使用同步調(diào)制和異步調(diào)制都有失偏頗，此時(shí)采用分段同步調(diào)制。即在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的低速段采用

65、異步調(diào)制，在恒功率區(qū)的高速段采用同步調(diào)制。但是，在調(diào)制比切換時(shí)可能出現(xiàn)電壓突變甚至振蕩。</p><p>　　2.3.3 電流追蹤型PWM控制</p><p>　　電流追蹤型PWM控制基本思路是:將一個(gè)正弦波電流給定信號(hào)與電機(jī)電流實(shí)測(cè)信號(hào)相比較，若實(shí)際電流值大于給定電流值，則通過(guò)逆變器開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)作使之減小，反之，則使之增加。使實(shí)際輸出電流圍繞著給定的正弦波電流作鋸齒形變化，并將偏差限制

66、在一定范圍內(nèi);與此同時(shí)，逆變器輸出的電壓波成為PWM波。這樣，如果逆變器的開(kāi)關(guān)器件具有足夠高的開(kāi)關(guān)頻率，則電機(jī)電流就能很快地調(diào)節(jié)其幅值和相位，使電機(jī)電流得到高品質(zhì)的動(dòng)態(tài)控制。</p><p>　　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(kāi)關(guān)頻率型。閉環(huán)控制，是各種電流追蹤型PWM電路的共同特點(diǎn)。電流滯環(huán)控制型和固定開(kāi)關(guān)頻率型各有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。電流滯環(huán)型由于不需要三角載波環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單。

67、而固定開(kāi)關(guān)頻率型在電磁噪聲和輸出電流諧波方面具有優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中可根據(jù)需要選擇合適的電流跟蹤型PWM控制方式。</p><p>　　2.4 PID控制算法的應(yīng)用及設(shè)計(jì)</p><p>　　2.4.1 PID控制原理</p><p>　　為了進(jìn)一步改進(jìn)控制器的方法是通過(guò)檢測(cè)誤差的變化率來(lái)預(yù)報(bào)誤差，并對(duì)誤差的變化做出響應(yīng)，于是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加

68、上微分調(diào)節(jié)器，組成比例、積分、</p><p>　　微分（PID）調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為：</p><p><b>　?。ㄊ?-3）</b></p><p>　　式中為微分常數(shù)，越大微分作用越強(qiáng)。</p><p>　　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(duì)象組成。圖中，是給定值，是系統(tǒng)的實(shí)際

69、輸出值，給定值和實(shí)際值輸出值構(gòu)成控制偏差，其中作為PID控制器的輸入，作為PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。</p><p>　　圖2-5 PID控制原理圖</p><p>　　下面分別討論比例調(diào)節(jié)器P，積分調(diào)節(jié)器I，微分調(diào)節(jié)器D的作用：</p><p>　　1.比例調(diào)節(jié)器（P）</p><p>　　式中，KP為比例系數(shù)，U0為偏差e =

70、r-y=0時(shí)的控制作用（如原始閥門開(kāi)度，基準(zhǔn)電壓等）。</p><p>　　比例調(diào)節(jié)器與偏差成正比例調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)及時(shí)，誤差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使被控量y向減小偏差的方向變化，但這種調(diào)節(jié)使被控量y存在靜差，</p><p>　　即有殘留誤差，因?yàn)檎{(diào)節(jié)作用是以偏差的存在為前提條件的。只有在控制作用為u0 時(shí)才會(huì)出現(xiàn)零靜差（此時(shí)偏差e=0）。提高放大系數(shù)KP 雖然可以減小靜差，但永遠(yuǎn)

71、不會(huì)使之減小到零，而且無(wú)止境地放大系數(shù)KP 最終將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p><b>　　2.比例積分調(diào)節(jié)器</b></p><p>　　采用比例調(diào)節(jié)的系統(tǒng)存在靜差，為了消除靜差，在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)器，組成比例積分調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為：</p><p>　　u(t)= （式2-4）&l

72、t;/p><p>　　式中Ti為積分常數(shù)，Ti越大積分作用越小。積分調(diào)節(jié)器的突出優(yōu)點(diǎn)是：只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時(shí)間不斷加強(qiáng)，直到偏差為零。在被調(diào)量的偏差消除后，由于積分規(guī)律的特點(diǎn)，輸出將停留在新的圍子而不回復(fù)原位，因此就能保持靜差為零。但單純的積分也有弱點(diǎn)，其動(dòng)作過(guò)于遲緩，因而在改變靜態(tài)品質(zhì)的同時(shí)，往往使調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，過(guò)度過(guò)程時(shí)間加長(zhǎng)。因此在實(shí)際生產(chǎn)中往往在積分調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入比例調(diào)節(jié)，把比例

73、作用的及時(shí)性與積分作用的消除靜差的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器。</p><p>　　3.比例積分微分調(diào)節(jié)器（PID）</p><p>　　比例積分調(diào)節(jié)消除系統(tǒng)誤差需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間，為進(jìn)一步改進(jìn)控制器，可以通過(guò)檢測(cè)誤差的變化率來(lái)預(yù)報(bào)誤差，根據(jù)誤差變化趨勢(shì)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快的消除在萌芽狀態(tài)，數(shù)學(xué)上描述這個(gè)概念用微分，因此在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入微分調(diào)節(jié)，就構(gòu)成了比例積分微分

74、調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為：</p><p>　　（式2-5） </p><p>　　式中Td為微分常數(shù)，Td越大微分作用越強(qiáng)。</p><p>　　在PID的調(diào)節(jié)器中，微分調(diào)節(jié)主要是用來(lái)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)，克服振蕩。將P、I、D三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，既快速敏捷，又平滑準(zhǔn)確，只要三者強(qiáng)度配合適當(dāng)，便可獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。</p&g

75、t;<p>　　PID調(diào)節(jié)的傳遞函數(shù)為：</p><p>　?。ㄊ?-6） </p><p>　　在工業(yè)過(guò)程控制中，模擬PID調(diào)節(jié)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)，氣動(dòng)，液動(dòng)等類型PID調(diào)節(jié)規(guī)律用硬件實(shí)現(xiàn)。而在微機(jī)控制系統(tǒng)中采用了數(shù)字控制器，即用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制，因此要將模擬PID調(diào)節(jié)器離散化為數(shù)字PID控制算法。數(shù)字PID控制算法，是立足于連續(xù)系統(tǒng)PID控制器的設(shè)計(jì)，然后用

76、微機(jī)進(jìn)行數(shù)字模擬，這種方法稱為模擬化設(shè)計(jì)方法。由于它要求較小的采樣周期，只能實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單的控制算法。選擇較大的采樣周期后對(duì)控制質(zhì)量有較高的要求時(shí)，就不能采用數(shù)字控制器的模擬化的設(shè)計(jì)方法，而應(yīng)該選擇數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法也稱為離散化的設(shè)計(jì)方法，在Z平面上的設(shè)計(jì)方法，它根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，運(yùn)用離散控制理論，直接設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器。與模擬化設(shè)計(jì)方法相比更具有一般的意

77、義，它完全是根據(jù)采樣系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析與綜合，并導(dǎo)出相應(yīng)的控制規(guī)律的。利用微機(jī)軟件的靈活性，就可以實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種控制規(guī)律。</p><p>　　2.4.2 數(shù)字PID的控制算法</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制生產(chǎn)過(guò)程變量，必須將模擬的PID算式進(jìn)行離散化，變?yōu)閿?shù)字PID算式，為此，在采樣周期T遠(yuǎn)小于信號(hào)變化周期時(shí)，作如下近似（T是足夠小時(shí)，如下逼近相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過(guò)程與連續(xù)系

78、統(tǒng)十分接近）：</p><p>　　u(t)≈u(k) （式2-7）</p><p>　　e(t)≈e(k) （式2-8）</p><p>　　≈=Tσe(j) （式2-9）

79、 </p><p>　　de/dt≈[e(k)-e(k-1)]/△t=[e(k)-e(k-1)]/T （式2-10） </p><p>　　式中T為采用周期，k為采樣序號(hào)，k=0，1，2，……，j，……，k。</p><p><b>　　將上式帶入得出：</b></p><p>　　+

80、 （式2-11）</p><p>　　其中，u（k）為調(diào)節(jié)器第k次輸出值；e（k），e（k-1）分別為第k次和第k-1次采樣時(shí)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(jī)構(gòu)的位置（如控制閥門的開(kāi)度）一一對(duì)應(yīng)，所以稱之為位置型PID算法。</p><p>　　在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項(xiàng)，因此輸出的控制量u（k）不僅與本次偏差有關(guān)，還與過(guò)去歷

81、史采樣偏差有關(guān)，使得u（k）產(chǎn)生大幅度變化，這樣會(huì)引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以在實(shí)際中當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是其增量時(shí)，可以采用增量型PID算法，縣推導(dǎo)如下：</p><p><b>　　（式2-12）</b></p><p>　　當(dāng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行期為步進(jìn)電機(jī)，電動(dòng)調(diào)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(shí)，一般均采用增量PID的控制

82、算法。</p><p>　　2.4.3 PID各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響</p><p>　　1.增益KP與系統(tǒng)快速性成正比，與系統(tǒng)的靜差成反比。但KP 過(guò)大將使系統(tǒng)超調(diào)過(guò)大，振蕩加劇，穩(wěn)定性變壞。</p><p>　　2.增大積分時(shí)間TI有利于減小超調(diào)和振蕩，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，但消除靜差的過(guò)程將加大。</p><p>　　3.微分時(shí)間TD與系統(tǒng)快速

83、性成正比，并能使超調(diào)減小，穩(wěn)定性增加，但抗擾性將變差。</p><p>　　根據(jù)上述結(jié)論，可按如下步驟對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例，后積分，再微分的整定步驟。</p><p>　　采用比例控制，KP由小變大。如果相應(yīng)時(shí)間，超調(diào)，靜差已達(dá)到要求，則只需要用比例控制即可，并由此確定比例增益KP。如果靜差達(dá)不到要求，則加入積分控制，將KP減小，例如每次減小到原來(lái)的90%，積分時(shí)間Ti由大到小。反復(fù)試湊多組K

84、P，</p><p>　　KI值，從中確定合適的參數(shù)。</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　在闡述了步進(jìn)電機(jī)的分類及其各自主要特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本章主要詳細(xì)介紹了混合式步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。同時(shí)，本章也歸納了步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)，最后詳細(xì)的介紹了兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的控制算法和控制方法，為第3章的硬件設(shè)計(jì)

85、提供理論基礎(chǔ)。</p><p>　　第3章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　本課題所要做的工作是基于單片機(jī)控制的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究，主要包括系統(tǒng)控制電路的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。硬件電路構(gòu)成原理框圖參見(jiàn)如圖3-l所示。驅(qū)動(dòng)器作為外部信號(hào)與二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的接口，接受外部的控制信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按給定的方式轉(zhuǎn)動(dòng)。此驅(qū)動(dòng)器接受外部信號(hào)如：IN1反轉(zhuǎn)信號(hào)、

86、細(xì)分狀態(tài)選擇信號(hào)信號(hào)、及脈沖信號(hào)后。當(dāng)接受到這些信號(hào)后，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。整個(gè)系統(tǒng)以AVR系列中的ATMEGA16單片機(jī)為控制核心，ATMEGA16通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)判斷比較，輸出存儲(chǔ)器中給定電流波形的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)TLC7528轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)，該信號(hào)放大后和電機(jī)繞組中反饋回來(lái)的電流信號(hào)進(jìn)行比較，若電流信信號(hào)大于控制電壓，電路將功放管截止，反之使功率放大管導(dǎo)通來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。D／A輸出不同的控制電壓，繞組中流過(guò)不同的電流值。由圖3-1

87、中所示。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　系統(tǒng)按功能可分為以下幾個(gè)部分：</p><p>　　1.以ATMEGA16單片機(jī)為核心的細(xì)分電路</p><p>　　單片機(jī)在外部脈沖到來(lái)后，輸出正、余弦細(xì)分控制函數(shù)到TLC7528，通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。此外，單片機(jī)還要對(duì)外部信號(hào)，如細(xì)分狀態(tài)選擇信號(hào)、轉(zhuǎn)

88、向控制信號(hào)、過(guò)流保護(hù)信號(hào)進(jìn)行判斷處理，執(zhí)行相應(yīng)的操作。</p><p><b>　　2.反饋放大電路</b></p><p>　　反饋放大電路主要是對(duì)電壓反饋信號(hào)濾波和放大處理，以便和H橋的輸出電壓相比較，在經(jīng)過(guò)整形電路來(lái)做D觸發(fā)器的輸入信號(hào)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)。采用的芯片為TL084。</p><p><b>　　3.功率與驅(qū)動(dòng)電路

89、</b></p><p>　　驅(qū)動(dòng)部分采用由D觸發(fā)器輸出的信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)，而其輸出信號(hào)來(lái)作為H橋的輸入信號(hào)來(lái)控制MOSFET管。7047集電極開(kāi)路六正相高壓驅(qū)動(dòng)器。一個(gè)7407芯片可驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂上的MOSFET管，功率電路設(shè)計(jì)為H橋式功率驅(qū)動(dòng)電路，所以需要四個(gè)7407芯片，而這也只是來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一相。</p><p><b>　　4.過(guò)流保護(hù)電路</

90、b></p><p>　　過(guò)流保護(hù)電路主要是對(duì)主功率電路進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)主回路電流高過(guò)一定值之后，保護(hù)電路輸出高電平，該信號(hào)電平被送至單片機(jī)進(jìn)行判斷處理。當(dāng)保護(hù)信號(hào)為高電平時(shí)，邏輯電路輸出的八路信號(hào)全部被置為低電平，觸發(fā)器被封鎖，電機(jī)停止運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)保護(hù)目的。</p><p><b>　　5.光電隔離電路</b></p><p>　　光電耦合

91、器是實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)將電能轉(zhuǎn)換成光能；光敏元件為輸出回路，它將光能轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)現(xiàn)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6N137.</p><p><b>　　6.PWM斬波電路</b></p><p>　　此論文用到的PWM斬波電路，只是由該電路

92、產(chǎn)生的波形來(lái)有效的控制MOSFET管的開(kāi)和關(guān)，進(jìn)而得到系統(tǒng)所需要的信號(hào)。</p><p>　　3.1 步進(jìn)電機(jī)的控制電路</p><p>　　根據(jù)本次課題的要求和各項(xiàng)性能的需要，硬件電路中的主控制器選用AVR系列中的ATMEGA16。</p><p>　　AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC(Reduced Instruc

93、tion Set CPU) 精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)。AVR的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。</p><p>　　3.1.1 AVR單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　1.在相同的系統(tǒng)時(shí)鐘下AVR運(yùn)行速度最快。</p><p>　　2.芯片內(nèi)部的Flash、EEPROM、SRAM容量較大。</p>

94、;<p>　　3.所有型號(hào)的Flash、EEPROM都可以反復(fù)燒寫、全部支持在線的編程燒寫。</p><p>　　4.多種頻率的內(nèi)部RC振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位、看門狗、啟動(dòng)延時(shí)等作用，零外圍電路也可以工作。</p><p>　　5.每個(gè)I/O口都可以來(lái)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)的方式輸出高、低電平，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。</p><p>　　6.內(nèi)部資源豐富，一般都集成AD、DA模

95、數(shù)器；PWM；SPI、USART、TWI、I2C通信口，豐富的中斷源等。</p><p>　　7.AVR單片機(jī)支持匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言、BASIC等編程語(yǔ)言。AVRGCC、C語(yǔ)言編譯器由于它具有作用強(qiáng)大、運(yùn)用靈活、代碼小、運(yùn)行速度快等先天性的優(yōu)點(diǎn)，使它在專業(yè)程序設(shè)計(jì)上具有不可代替的地位。</p><p>　　3.1.2 AVR單片機(jī)的特性</p><p>　　先進(jìn)的R

96、ISC結(jié)構(gòu)：131條指令，32個(gè)8位通用工作寄存器和外設(shè)控制寄存器，工作于16MHZ時(shí)，性能高達(dá)16MPS，只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器。非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512字節(jié)的EEPROM，1K字節(jié)的內(nèi)部SRAM。</p><p>　　JTAG接口：遵循JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能，支持?jǐn)U展的內(nèi)片調(diào)試，通過(guò)JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。<

97、;/p><p>　　外設(shè)特點(diǎn)：兩個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和撲捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有獨(dú)立預(yù)分頻器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，兩路8位PWM，4路分辨率可編程的PWM,輸出比較調(diào)制器，8路10位ADC，面向字節(jié)的兩線接口總線，兩個(gè)可編程的串行USART,可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口，具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的的可編程看門狗定時(shí)器，片內(nèi)模擬比較器。</p&

98、gt;<p>　　特殊的處理器特點(diǎn)：上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)，片內(nèi)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的RC振蕩器，片內(nèi)/片外中斷源，6種睡眠模式，可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的時(shí)鐘頻率，通過(guò)熔絲位可以選擇ATMEGA103兼容模式，全局上拉禁止功能。</p><p>　　I/O和封裝：32個(gè)可編程I/O口，40引腳PDIP封裝、44引腳TOFP封裝、44引腳MLF封裝。</p><p><b>

99、　　AVR的結(jié)構(gòu)框圖</b></p><p>　　AVR的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 AVR結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　單片機(jī)電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在本模塊中單片機(jī)基本工作電路包括：電源電路, 控制電路, 晶振電路, 復(fù)位電路。單片機(jī)基本模塊如圖3-3所

100、示。</p><p>　　圖3-3 主控制電路</p><p><b>　　1.電源電路</b></p><p>　　10引腳VCC：接+5V電源正端</p><p>　　11引腳GNG：接+5V電源地端</p><p><b>　　2.控制電路</b></p>

101、<p>　?。?）PB0、PB2、PB3、PB6、PB7、PD4、PD5、PD6作為普通的I/O口，用于8位模擬量的傳輸。同時(shí)PB5 PB6 PB7 還是用其管腳的第二功能用于控制主機(jī)和從機(jī)的數(shù)據(jù)輸入輸出。如果是MISO：SPI 通道的主機(jī)數(shù)據(jù)輸入，從機(jī)數(shù)據(jù)輸出端口。工</p><p>　　作于主機(jī)模式時(shí)，不論DDB6 設(shè)置如何，這個(gè)引腳都將設(shè)置為輸入。工作于從機(jī)模式時(shí)，這個(gè)引腳的數(shù)據(jù)方向由DDB6

102、 控制。設(shè)置為輸入后，上拉電阻由PORTB6 控制。MOSI： SPI 通道的主機(jī)數(shù)據(jù)輸出，從機(jī)數(shù)據(jù)輸入端口。工作于從機(jī)模式時(shí),不論DDB5 設(shè)置如何，這個(gè)引腳都將設(shè)置為輸入。當(dāng)工作于主機(jī)模式時(shí)，這個(gè)引腳的數(shù)據(jù)方向由DDB5控制。設(shè)置為輸入后，上拉電阻由PORTB5 控制。</p><p>　?。?）PC0、PC1、PC2、PC3、PC4作為按鍵控制信號(hào)的是輸入。</p><p>　　（

103、3）PA0使用第一功能用作I/O口,用于A/D轉(zhuǎn)換器中DACA和DACB通道的選擇。</p><p>　　（4）PA1用于檢測(cè)模塊輸出信號(hào)的反饋。</p><p>　?。?）PC7用于控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器WR高低電平的選取。</p><p><b>　　3.晶振電路</b></p><p>　　ATMEGA16單片機(jī)內(nèi)含有一個(gè)

104、高增益的反向放大器，通過(guò)XTAL1, 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。</p><p>　　XTAL1 振蕩放大器1。</p><p>　　XTAL2 振蕩放大器2。</p><p>　　圖3-4 晶振電路</p><p><b>　　4.復(fù)位電路</b></p><

105、;p>　　主控制單片機(jī)的最小系統(tǒng)的復(fù)位電路采用上電復(fù)位。當(dāng)電源電壓低于上電復(fù)位</p><p>　　門限 VPOT 時(shí)， MCU 復(fù)位上電復(fù)位(POR) 脈沖由片內(nèi)檢測(cè)電路產(chǎn)生。無(wú)論何時(shí)VCC 低于檢測(cè)電平POR 即發(fā)生。POR 電路可以用來(lái)觸發(fā)啟動(dòng)復(fù)位，或者用來(lái)檢測(cè)電源故障。POR電路保證器件在上電時(shí)復(fù)位。VCC 達(dá)到上電門限電壓后觸發(fā)延遲計(jì)數(shù)器。在計(jì)數(shù)器溢出之前器件一直保持為復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)VCC 下降時(shí)，

106、只要低于檢測(cè)門限，RESET 信號(hào)立即生效，復(fù)位時(shí)所有的I/O 寄存器都被設(shè)置為初始值，程序從復(fù)位向量處開(kāi)始執(zhí)行。復(fù)位向量處的指令必須是絕對(duì)跳轉(zhuǎn)JMP 指令，以使程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位處理例程。如果程序永遠(yuǎn)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。</p><p>　　圖3-5 復(fù)位電路</p><p>　　3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路</p><p&g

107、t;　　TLC7528是雙路8位數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器，他們?cè)O(shè)計(jì)成具有單獨(dú)的片內(nèi)數(shù)據(jù)鎖存器，其特點(diǎn)包括非常緊密的DAC-DAC一致性。數(shù)據(jù)通過(guò)公共8位輸入口傳送至兩個(gè)DAC數(shù)據(jù)鎖存器中的任何一個(gè)，控制輸入端DACA/DACB決定哪個(gè)DAC被裝載。這些器件的轉(zhuǎn)載周期與隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的寫周期類似，能方便的與大多數(shù)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15mW，工作范圍溫度為0到70度。</p><p

108、>　　3.2.1 TLC7528的特點(diǎn)</p><p>　　1.易于與微處理器接口。</p><p><b>　　2.片內(nèi)數(shù)據(jù)所存。</b></p><p>　　3.在每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)具有單調(diào)性。</p><p>　　4.可與模擬器件AD7528和PMI PM-7528互換。</p><p

109、>　　5.適合于包括與TMS320接口的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）應(yīng)用的快速控制信號(hào)。</p><p><b>　　6.電壓工作方式。</b></p><p>　　7.CMOS工藝制造。</p><p>　　TLC7528的時(shí)序圖</p><p>　　TLC7528的時(shí)序圖如圖3-6所示：</p><

110、;p>　　圖3-6 TLC7528時(shí)序圖</p><p>　　3.2.3 D/A轉(zhuǎn)換的原理圖</p><p>　　轉(zhuǎn)換時(shí)的截止頻率的兩個(gè)電阻用TLC7528的內(nèi)部權(quán)電阻來(lái)代替，而權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電阻值可以通過(guò)編程來(lái)改變，這樣就實(shí)現(xiàn)了截止頻率的步進(jìn)可調(diào)。而TLC7528的VDD接+5V電源，這樣ARM輸入的數(shù)字信號(hào)能夠起到有效的控制，其原理圖如圖</p><p&